基于Verilog HDL語言的CAN總線控制器設計及驗證

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時控制的新一代網(wǎng)絡通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場總線范疇。CAN最早被設計作為汽車環(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，目前應用領(lǐng)域已經(jīng)相當廣泛。
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現(xiàn)一個完整的ECU的功能。
本項目目的是利用FPGA實現(xiàn)一款支持CAN2．0協(xié)議的總線控制器，完成一個通用的能夠滿足CAN2．0協(xié)議的CAN總線控制器軟IP核，這樣可以在以后的應用中方便的集成到其他系統(tǒng)中去。本文使用VerilogHDL語言，設計了一款支持CAN2．0協(xié)議的CAN總線控制器，并利用FPGA芯片在CAN總線網(wǎng)絡中對其進行了測試，實現(xiàn)了設計目的。創(chuàng)新點為CAN_Registers設計中寄存器模塊、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)點電路等。

1 CAN總線控制器設計
1．1 CAN控制器設計流程
1．1．1 功能設計
首先對CAN2．0協(xié)議進行了深入的分析，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進行進一步的分析，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)劃了所設計的CAN總線控制器的功能。
1．1．2 設計描述和功能驗證
功能設計完成后，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，明確了各個功能模塊的作用。確定模塊及其功能之后，用Verilog HDL語言實現(xiàn)了各模塊的設計。接著，利用Modelsim對整個設計進行了功能驗證。
1．1．3 邏輯綜合
功能仿真通過以后，利用QuartusⅡ?qū)λO計的CAN總線控制器進行邏輯綜合，并把其配置到FPGA中。
1．1．4 硬件驗證
配置到FPGA中以后，用所設計的基于FPGA的CAN總線控制器作為一個節(jié)點，與采用SJA1000作為控制器的節(jié)點電路進行了通信測試，驗證了所設計的CAN總線控制器的功能。
1．2 CAN總線控制器的整體設計
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。SJA1000主要由以下幾個部分構(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、位時序邏輯、錯誤管理邏。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)
本文設計的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。