基于SJA1000 IP核的CAN總線通信系統(tǒng)

摘要：分析了CAN總線控制器的工作原理，以SJA1000為模型，提出基于SOPC技術(shù)的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)方案，并完成SJA1000 IP核的設(shè)計(jì)；完成了在Altcra的Cyclone III型FPGA芯片上集成微處理器核、SJA1000 IP核、數(shù)據(jù)RAM、程序ROM為一體的完整CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SJA1000 IP核設(shè)計(jì)方案的合理性。
關(guān)鍵詞：CAN總線；SOPC；IP核；FPGA

引言
CAN(Controller Area Network)是擰制器局域網(wǎng)的簡稱，是20世紀(jì)80年代初由德國BOSCH公司提出來的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于解決當(dāng)時(shí)由于汽車功能越來越多而導(dǎo)致汽車內(nèi)部信號(hào)連接線增多的問題。隨后CAN總線迅速發(fā)展，并于1993年被列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，形成了IOS 11898標(biāo)準(zhǔn)。至今，CAN總線已經(jīng)被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一，其應(yīng)用范圍也從當(dāng)初的汽車行業(yè)擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、交通工具、醫(yī)療設(shè)備、建筑、環(huán)境控制等諸多領(lǐng)域中。
伴隨著CAN總線的高速發(fā)展，用戶對(duì)其也提出了更高的要求。這無疑給CAN總線帶來發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在這種新形勢下，CAN總線原有的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)就顯得有些力不從心。
可編程片上系統(tǒng)(System On a Programmable Chip，SOPC)是一種新型的系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的開發(fā)技術(shù)，是電路系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。它在集成度、設(shè)計(jì)靈活性以及可移植性等方面上的優(yōu)越性無疑可以給CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來新的動(dòng)力，使其能夠快速地適應(yīng)新形勢下的挑戰(zhàn)。

1 CAN總線控制器的工作原理
SJA1000芯片是Philips公司的一款獨(dú)立CAN總線控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的CAN總線系統(tǒng)上。相塒于它的前一款PCA 82C200，SJA1000主要的改進(jìn)是在原有Basic CAN模式的基礎(chǔ)上增加了另一種工作模式(PeliCAN)——這種模式能夠支持擁有很多新特性的CAN 2．0B協(xié)議。出于兼容性的考慮，這兩種工作模式在SJA1000上都能夠?qū)崿F(xiàn)，通過配置時(shí)鐘分頻器寄存器，就可以在兩種工作模式之間轉(zhuǎn)換。但是應(yīng)特別注意的是芯片在復(fù)位后的默認(rèn)模式為BasicCAN。

2 SJA1000的設(shè)計(jì)
2．1 SJA1000的功能
SJA1000是一款獨(dú)立的CAN總線控制器，在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的功能與作用和一般的CAN總線控制器相同，都是用來實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的模塊。SJA1000在CAN總線系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

在圖中共描繪了2個(gè)節(jié)點(diǎn)：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考模型節(jié)點(diǎn)和一個(gè)包含了SJA1000設(shè)備的節(jié)點(diǎn)。通過這樣的對(duì)比可以更加清楚地理解SJA1000的功能與作用。
2．2 SJA1000的結(jié)構(gòu)
按照SJA1000用戶使用手冊(cè)中的敘述，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下面對(duì)這7個(gè)功能模塊的程序設(shè)計(jì)做一個(gè)大概的說明。
(1)寄存器控制程序
寄存器控制程序用丁完成SJA1000中所有有關(guān)寄存器操作。設(shè)計(jì)寄存器組子模塊包括模式寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、中斷使能寄存器、總線定時(shí)寄存器、仲裁丟失捕獲寄存器、錯(cuò)誤代碼捕獲寄存器、錯(cuò)誤報(bào)警限制寄存器、接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、驗(yàn)收代碼寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、接收信息計(jì)數(shù)器、接收緩沖器起始地址寄存器、時(shí)鐘分頻寄存器和接收／發(fā)送緩沖器，方便微控制器對(duì)CAN Module內(nèi)部各個(gè)功能模塊的控制。
(2)位時(shí)序邏輯程序
位時(shí)序邏輯程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)視串行CAN總線，并處理與總線相關(guān)的位時(shí)序問題。在消息發(fā)送的開始處，當(dāng)位時(shí)序邏輯檢測到總線上由隱性位到顯性位的跳變時(shí)，其內(nèi)部邏輯同步到位流，稱之為硬同步。在接收消息的過程中，檢測到隱性位到顯性位的跳變時(shí)便會(huì)重同步到位流，稱之為軟同步。位時(shí)序邏輯根據(jù)總線定時(shí)寄存器和總線定時(shí)寄存器的值來決定每個(gè)位周期的采樣點(diǎn)的位置，以補(bǔ)償傳輸延遲和相位漂移所造成的誤差。