基于FPGA和CAN總線的飛行模擬器通信接口設(shè)計(jì)

摘要：在飛行模擬器的設(shè)計(jì)中，為了使數(shù)據(jù)能夠快速有效地在飛行模擬器的各個模塊之間進(jìn)行高速傳遞，提出了一種使用FPGA作為CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的核心處理器的設(shè)計(jì)方法，并完成了飛行模擬器通信接口的軟硬件設(shè)計(jì)。采用Verilog HDL進(jìn)行編程，能夠完成對SJA1000總線控制器的有效讀寫。實(shí)際測試表明，相較于單片機(jī)作為處理器，本設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性好，易于修改和移植，能降低模擬器成本。

飛行模擬器是現(xiàn)代飛行員訓(xùn)練的必需設(shè)備，它是一種由計(jì)算機(jī)實(shí)時控制、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作、能模擬真實(shí)飛行環(huán)境的模擬設(shè)備。相較于利用飛機(jī)的飛行訓(xùn)練而言，利用飛行模擬器的模擬飛行訓(xùn)練不僅不受天氣等自然條件的制約，而且沒有后勤、機(jī)務(wù)保障以及飛行安全等因素的限制。國內(nèi)外許多單位均研制了各種不同種類和規(guī)模的訓(xùn)練模擬器，并取得良好的訓(xùn)練效果，保證了飛行任務(wù)的圓滿完成。

在飛行模擬器的設(shè)計(jì)中，要求大量的信息能夠快速有效地在飛行模擬器的各個模塊之間進(jìn)行高速傳遞，這就需要一定的通信接口協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。目前，飛行模擬器通常采用CAN總線作為通信協(xié)議，并采用單片機(jī)作為微處理器，可擴(kuò)展性差。文章根據(jù)飛行模擬器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了現(xiàn)場總線技術(shù)和FPGA技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)飛行模擬器的實(shí)際需要和總線自身特點(diǎn)，選用了CAN總線來作為主機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備的通信方式，并使用FPGA作為CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的核心處理器，對飛行模擬器通信接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)總線是一種串行通信總線，是國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN最早被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中微控制器的通訊，但由于其靈活性好、可靠性高、功能完善，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個自動控制領(lǐng)域，CAN總線具有根據(jù)優(yōu)先級的多主結(jié)構(gòu)、可靠的錯誤檢測和處理機(jī)制、傳輸速率高(最高可達(dá)1 Mb/s)、傳輸距離遠(yuǎn)(波特率低于5 kb/s時最遠(yuǎn)可達(dá)10 km)，克服了RS-485網(wǎng)絡(luò)的低總線利用率、單主從結(jié)構(gòu)、無硬件錯誤檢測的不足。在飛行模擬器的設(shè)計(jì)過程中，主控機(jī)需要與多個模塊進(jìn)行交互，選用CAN總線接口是非常適合的。

飛行模擬器通信接口的硬件設(shè)計(jì)，以CAN總線作為通信協(xié)議，選用ALTERA公司CYCLONE系列EP1C6Q240C8作為CAN節(jié)點(diǎn)的核心處理器，采用Philips公司的SJA1000T作為CAN總線控制器，在CAN總線控制器與CAN物理總線之間選用PCA82C250作為CAN收發(fā)器，為了增強(qiáng)抗干擾能力，

保護(hù)CAN總線控制器，在SJA1000T與PCA82C250之間使用6N137進(jìn)行光電隔離，其速度為10 MHz。在Quartus II軟件中運(yùn)用Verilog對FPGA編程，實(shí)現(xiàn)對SJA1000T的控制及CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信功能。接口電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

SJA1000芯片是一款獨(dú)立的CAN總線控制器，相對于它的前一款PCA82C200，SJA1000是在原有的BasicCAN模式的基礎(chǔ)上增加了PeliCAN模式，這種模式能夠支持CAN2.0B協(xié)議。為了提高SJA1000的總線驅(qū)動能力，在SJA1000與CAN總線之間加入了PCA82C250總線收發(fā)器，其主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用FPGA作為CAN總線節(jié)點(diǎn)的核心處理器，能夠在速度和體積上有更好的適應(yīng)性，可以增強(qiáng)飛行模擬器通信接口設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性，因?yàn)樵陲w行模擬器設(shè)計(jì)中，有時還需要用到其他通信接口，比如括RS232和RS422。EP1C6Q240是ALTERA公司推出的一款高性價(jià)比的FPGA，工作電壓為3.3 V，內(nèi)核電壓1.5 V，采用0.13μm工藝技術(shù)，其內(nèi)部具有5 980個LEs，含有20個MK4 RAM塊(128×36 bits)，總的RAM空間共計(jì)92 160比特，內(nèi)嵌2個鎖相環(huán)電路，最大用戶I/O為185個，配置芯片選用EPCS1，對于FPGA的下載方式，通?？梢圆捎肑TAG方式和AS方式，不同下載方式，其硬件連接方式不用。JTAG方式，下載程序到FPGA芯片內(nèi)RAM中，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)的程序掉電后無法保存，JTAG下載方式適合調(diào)試程序時使用，而AS方式則能將程序下載到配置芯片內(nèi)，配置芯片內(nèi)的程序掉電后也可以保存，再次上電后自動裝載到FPGA內(nèi)并由FPGA開始運(yùn)行。

在CAN總線接口硬件設(shè)計(jì)中，主要是CAN總線控制器與FPGA以及CAN總線控制器與CAN總線收發(fā)器之間的接口電路設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時，相比于采用單片機(jī)作為微處理器的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA具有豐富的I/O端口，為了使FPGA的3.3V I/O接口電平與SJA1000的5 V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)相匹配，在FPGA與SJA1000連接時需要使用74ALVC164245電平轉(zhuǎn)換器，這樣CAN總線控制器SJA1000的AD0～AD7、片選信號CS、RD、WR、ALE、INT、MODE分別經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器再與FPGA的I/O相連。為了增強(qiáng)抗干擾能力，總線控制器SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0分別經(jīng)集成光電耦合器6N137，與總線收發(fā)器PCA82C250的TXD和RXD相連，PCA82C250的CANH、CANL端口直接與CAN物理總線相連。PCA82C250是CAN總線控制器和物理總線之間的接口，具有可向總線差動發(fā)送數(shù)據(jù)和從CAN總線控制器差動接收數(shù)據(jù)的功能。另外，SJA1000的RX1引腳與PCA82C250的VREF引腳相連，使用輸入比較器旁路功能，可減少內(nèi)部延時，增加正常通信的總線長度。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件的設(shè)計(jì)主要是對FPGA進(jìn)行編程，一方面對飛行模擬器各類接口數(shù)據(jù)的采集和輸出，另一方面是對SJA1000的接口邏輯程序，來控制CAN總線的工作方式和工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。這里主要介紹FPGA對總線控制器的程序設(shè)計(jì)，主要包括對SJA1000的初始化邏輯、數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯和數(shù)據(jù)接收邏輯。由于SJA1000地址總線與數(shù)據(jù)總線復(fù)用，這就需要FPGA不僅要產(chǎn)生SJA1000讀寫控制引腳的信號邏輯，還需要產(chǎn)生對SJA1000的尋址信號，實(shí)際上是一個向SJA1000寫地址的過程。因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是把SJA1000中的寄存器地址當(dāng)成數(shù)據(jù)寫入到SJA1000中，同時配合地址鎖存信號ALE和寫允許信號WR完成對SJA1000特定寄存器的命令字寫入。

2.1 SJA1000初始化邏輯

初始化邏輯的主要功能是在系統(tǒng)上電或重啟后，對SJA1000進(jìn)行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。SJA1000支持兩種模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式，BasicCAN模式是上電后默認(rèn)的操作模式。SJA1000的初始化邏輯主要包括工作方式的設(shè)置、驗(yàn)收濾波方式的設(shè)置、驗(yàn)收屏蔽寄存器(AMR)和驗(yàn)收代碼寄存器(ACH)的設(shè)置、中斷允許寄存器(IER)的設(shè)置、總線定時寄存器(BTR0、BTR1)、輸出控制寄存器(OCR)和時鐘分頻器(CDR)的設(shè)置等。在完成SJA1000的初始化設(shè)置以后，SJA1000就可以回到工作狀態(tài)，進(jìn)行正常的通信任務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯

數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯需要FPGA通過模擬總線的方法對SJA1000進(jìn)行控制，SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)的寄存器共有11個字節(jié)，其中前3個字節(jié)分別是幀信息字節(jié)和兩個標(biāo)識碼，后8個字節(jié)是數(shù)據(jù)。發(fā)送時，用戶需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定的格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動SJA1000發(fā)送即可。需要注意的是，在向SJA1000發(fā)送緩存區(qū)送報(bào)文之前，必須先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否鎖定，如果鎖定則等待;判斷上次發(fā)送是否完成，如未完成則需等待發(fā)送完成?？偩€控制器寫周期的時序圖如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)接收邏輯

與數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯類似，從接收緩沖區(qū)中讀取一條報(bào)文也需要連續(xù)讀取11個字節(jié)，數(shù)據(jù)接收邏輯除了正常的報(bào)文數(shù)據(jù)接收，還要實(shí)現(xiàn)其他情況的處理。對接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢后要釋放CAN接收緩沖區(qū)。圖3所示為總線控制器讀周期的時序圖。

在FPGA程序編寫時，采用狀態(tài)機(jī)完成邏輯的設(shè)計(jì)，分別包括初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)、查詢狀態(tài)、數(shù)據(jù)接收狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

3 結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用ALTERA公司的EP1C6型FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Quartus II環(huán)境中利用Verilog HDL編程產(chǎn)生SJA1000的片選信號、地址鎖存信號以及讀寫信號等，這些信號共同驅(qū)動SJA1000完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在采用FPGA實(shí)現(xiàn)對SJA1000的邏輯控制過程中，采用Quartus II中的SignalTap II Logic Analyzer工具對FPGA各接口信號進(jìn)行了測量，經(jīng)檢查各種邏輯均符合SJA1000的接口時序要求。

基于FPGA的飛行模擬器通信接口設(shè)計(jì)主要由Verilog語言進(jìn)行描述，易于修改和移植，同時由于FPGA的I/O豐富，還可以將模擬器中一些常用的開關(guān)量連接到FPGA上，這樣就可以將多種功能集成在一個FPGA上，相較于采用單片機(jī)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，本設(shè)計(jì)方案可擴(kuò)展性好，穩(wěn)定性高，能降低成本、系統(tǒng)體積及功耗，在飛行模擬器領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。