基于Verilog HDL語言的CAN總線控制器設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

0 引言
CAN(Controller Area Network)是由ISO定義的一種串行通信總線，它是一種能有效地支持高安全等級的分布實(shí)時(shí)控制的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線范疇。CAN最早被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中微控制器的通訊，在車載各電子控制裝置與ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)，目前應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)廣泛。
近年來，支持CAN協(xié)議的芯片不斷推出，給CAN總線用戶帶來了極大的方便。隨著我國對現(xiàn)場總線技術(shù)需求的增加，CAN總線已經(jīng)會(huì)成為我國最常用的現(xiàn)場總線之一。
基于CAN總線的ECU電子控制單元的開發(fā)，也是現(xiàn)在最熱門的研究。現(xiàn)在對CAN總線芯片的研究已經(jīng)不再局限于單一芯片的研究，而是把所有的功能芯片都集中在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的ECU的功能。
本項(xiàng)目目的是利用FPGA實(shí)現(xiàn)一款支持CAN2．0協(xié)議的總線控制器，完成一個(gè)通用的能夠滿足CAN2．0協(xié)議的CAN總線控制器軟IP核，這樣可以在以后的應(yīng)用中方便的集成到其他系統(tǒng)中去。本文使用VerilogHDL語言，設(shè)計(jì)了一款支持CAN2．0協(xié)議的CAN總線控制器，并利用FPGA芯片在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中對其進(jìn)行了測試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。創(chuàng)新點(diǎn)為CAN_Registers設(shè)計(jì)中寄存器模塊、位流處理器的收發(fā)部分功能、測試程序、基于該FPGA的CAN總線控制器的節(jié)點(diǎn)電路等。

1 CAN總線控制器設(shè)計(jì)
1．1 CAN控制器設(shè)計(jì)流程
1．1．1 功能設(shè)計(jì)
首先對CAN2．0協(xié)議進(jìn)行了深入的分析，掌握了CAN總線協(xié)議的各部分內(nèi)容；而后參照和分析了幾種典型的CAN總線控制器的功能；最后選擇PHILPS公司生產(chǎn)的CAN總線控制器SJA1000進(jìn)行進(jìn)一步的分析，掌握了它的各部分模塊的功能。在這些基礎(chǔ)上根據(jù)需要規(guī)劃了所設(shè)計(jì)的CAN總線控制器的功能。
1．1．2 設(shè)計(jì)描述和功能驗(yàn)證
功能設(shè)計(jì)完成后，依據(jù)功能并參照CAN總線2．0協(xié)議，將控制器劃分為若干功能模塊，明確了各個(gè)功能模塊的作用。確定模塊及其功能之后，用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)了各模塊的設(shè)計(jì)。接著，利用Modelsim對整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。
1．1．3 邏輯綜合
功能仿真通過以后，利用QuartusⅡ?qū)λO(shè)計(jì)的CAN總線控制器進(jìn)行邏輯綜合，并把其配置到FPGA中。
1．1．4 硬件驗(yàn)證
配置到FPGA中以后，用所設(shè)計(jì)的基于FPGA的CAN總線控制器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與采用SJA1000作為控制器的節(jié)點(diǎn)電路進(jìn)行了通信測試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的CAN總線控制器的功能。
1．2 CAN總線控制器的整體設(shè)計(jì)
1．2．1 控制器SJA1000的功能結(jié)構(gòu)
SJA1000是PHILIPS公司于1997年推出的一種獨(dú)立CAN總線控制器，用于汽車和一般環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)。SJA1000主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器、接收濾波器、位數(shù)據(jù)流處理器、位時(shí)序邏輯、錯(cuò)誤管理邏。SJA1000是雙列直插式集成電路，功能框圖如圖1所示。

1．2．2 本文中控制器的功能結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的CAN控制器參照SJA1000控制器的結(jié)構(gòu)，功能基本框架包含如圖2所示的3個(gè)功能模塊。

CAN_IML是CAN總線控制器接口邏輯，主要功能是解釋來自微處理器的命令，控制CAN寄存器的尋址，向微處理器提供中斷信息和狀態(tài)信息。