基于FPGA和MCU的CAN-VME總線(xiàn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

摘要：為了擴(kuò)展VME總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)的應(yīng)用范圍，充分利用兩種總線(xiàn)的不同傳輸特點(diǎn)，采用了模塊設(shè)計(jì)方法，提出一種基于FPGA和MCU的總線(xiàn)轉(zhuǎn)換方案。該方案給出了FPGA與上位VME總線(xiàn)部分的VME總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)，利用MCU控制CPLD擴(kuò)展的多通道CAN節(jié)點(diǎn)完成CAN總線(xiàn)部分的設(shè)計(jì)，還給出軟件實(shí)現(xiàn)上的重點(diǎn)、難點(diǎn)和流程。實(shí)現(xiàn)了兩種不同總線(xiàn)的轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足了工業(yè)環(huán)境對(duì)兩種總線(xiàn)混合使用的要求。
關(guān)鍵詞：FPGA；MCU；VME總線(xiàn)；CAN總線(xiàn)；工業(yè)環(huán)境

CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))以其高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的支持。CAN總線(xiàn)突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性顯示了它突出的優(yōu)勢(shì)，成為公認(rèn)的最有前途的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。VME(Versa Module Eurocard)是一種通用的計(jì)算機(jī)總線(xiàn)，結(jié)合了Motorola公司Versa總線(xiàn)的電氣標(biāo)準(zhǔn)和在歐洲建立的Eurocard標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械形狀因子，是一種開(kāi)放式架構(gòu)。其獨(dú)特的緊密耦合(Closely coupled)硬件構(gòu)架，為其外圍系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)，使VME總線(xiàn)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、軍用系統(tǒng)、航空航天、交通運(yùn)輸和醫(yī)療領(lǐng)域。
本文提出了基于FPGA的VME總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)之間的傳輸轉(zhuǎn)換方案，滿(mǎn)足一些特殊工業(yè)環(huán)境的需要，具有一定的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

1 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)由VME總線(xiàn)接口模塊、CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)(8路CAN節(jié)點(diǎn))模塊、復(fù)雜可編程邏輯器模塊、MCU模塊4部分核心模塊構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)3U標(biāo)準(zhǔn)的VME板卡上實(shí)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)緊湊，布局合理。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1．1 VME總線(xiàn)接口模塊
整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是兩種通信之間的轉(zhuǎn)換，所以數(shù)據(jù)的發(fā)送都是由上位主機(jī)發(fā)送的。由于FPGA控制靈活，所以很方便實(shí)現(xiàn)與VME總線(xiàn)的連接。文中FPGA器件選用XILINX公司的XC2S200系列的5PQ208，56 Kb專(zhuān)用存儲(chǔ)器，最高運(yùn)行速度200 MHz，I／O電壓在3．3～5．5 V，地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)，／AS，／IACKIN，／IACKOUT，SYS CLK等可以直接與5PQ208連接。
1．2 CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊
CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊是該系統(tǒng)中的主要模塊，選用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000，它負(fù)責(zé)連接總線(xiàn)與8路CAN選通主控制器CPLD之間的數(shù)據(jù)通信，其整個(gè)系統(tǒng)功能如圖2所示。收發(fā)器選用P82C251T。CAN接口原理如圖3所示。

1．3 復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)模塊
在系統(tǒng)中，由于FPGA的地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)是分開(kāi)的，而SJA1000的地址和數(shù)據(jù)線(xiàn)是分時(shí)復(fù)用的，所以在總線(xiàn)接口上有一定差異，因此選用MAX3000系列可編程邏輯器件EPM3128來(lái)進(jìn)行邏輯變換。該CPLD芯片有豐富的宏單元，80個(gè)用戶(hù)I／O管腳，管腳間延遲時(shí)間是10 ns，最高速度可達(dá)100 MHz，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要?？删幊踢壿嬈骷谙到y(tǒng)中的功能為：轉(zhuǎn)換FPGA與CAN控制器SJA1000之間的地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)；通過(guò)對(duì)FPGA的地址線(xiàn)譯碼，擴(kuò)展CAN控制節(jié)點(diǎn)的通道。
1．4 MCU處理器
由于CAN總線(xiàn)的最高傳輸速度是1 Mb／s，所以該部分選取宏晶STC12C5A60S2，F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器為56 KB。SRAM為1 280 B，2個(gè)專(zhuān)用的UATR，豐富的CPU資源滿(mǎn)足作為下位機(jī)的CPU控制單元，主要完成兩種總線(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)將從FPGA過(guò)來(lái)的VME總線(xiàn)轉(zhuǎn)換成CAN總線(xiàn)格式，并傳輸?shù)街付–AN節(jié)點(diǎn)；同時(shí)也將CPLD選通的CAN通道數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為FPGA能識(shí)別的VME總線(xiàn)格式，并在MCU中斷主機(jī)時(shí)，將數(shù)據(jù)反饋給VME主機(jī)。