CPLD在嵌入式系統(tǒng)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用

　　1.引言

　　可編程邏輯器件PLD(Programmable logic Device)就是由用戶進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)所需邏輯功能的數(shù)字專用集成電路ASIC。可編程邏輯器件在現(xiàn)代電子工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。它是在PAL，GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有高密度，高速度，低功耗體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元，靈活以及運(yùn)用范圍寬等特點(diǎn)，同時(shí)還具有設(shè)計(jì)周期短，制造成本低，開發(fā)工具先進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試，質(zhì)量穩(wěn)定及可實(shí)時(shí)布線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍用測(cè)控局域網(wǎng)中，它可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離、較快速度的信息傳輸，而且只需要雙絞線作為傳輸媒介，簡(jiǎn)單可靠。但是，在該技術(shù)應(yīng)用中總線控制器與微機(jī)之間的接口電路一般采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。采用這種方式將導(dǎo)致較長(zhǎng)的研發(fā)周期和龐大的電路，且難于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。本文利用CPLD成功地實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信，速度快，易于實(shí)現(xiàn)，而且非常穩(wěn)定。

　　本系統(tǒng)采用的器件是Altera公司的CPLD，屬于MAX7000系列。Altera公司的CPLD器件主要包括MAX系列、ACEX系列、FLEX系列和APEX系列。其中MAX系列器件為高速實(shí)際應(yīng)用提供了非常高的性價(jià)比，這基于它先進(jìn)的MAX架構(gòu)。MAX7000系列提供了速度最快的可編程邏輯器件解決方案，它基于CMOS EEPROM工藝，傳播延遲最小為3.5ns。

　　2.CPLD實(shí)現(xiàn)接口電路

　　實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，測(cè)控局域網(wǎng)利用CAN控制器實(shí)現(xiàn)微機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。其基本的設(shè)計(jì)思想是：由于PC總線協(xié)議與CAN控制器不一致，因而在它們中間設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件電路作為接口來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。PC地址與數(shù)據(jù)總線是分離的，而CAN控制器數(shù)據(jù)與地址線通過分時(shí)復(fù)用來實(shí)現(xiàn)地址與數(shù)據(jù)分離，剛好與單片機(jī)一致。單片機(jī)技術(shù)雖然較成熟，但是，由于涉及單片機(jī)編程和開發(fā)的周期較長(zhǎng)，且采用單片機(jī)系統(tǒng)需要較龐大的外圍電路，不利于研制系統(tǒng)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。因此，用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)接口電路，可以有效解決這些問題。

　　本系統(tǒng)采用“主-從”式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。系統(tǒng)硬件由兩臺(tái)PC104主機(jī)和兩塊CAN總線通信模塊組成，如圖1所示。主機(jī)采用CPU主頻為300MHz的奔騰處理器;CAN總線控制器位SJA1000T;一帶屏蔽的雙絞線作為系統(tǒng)總線;通信波特率可用軟件設(shè)置為1Mbps;為了提高通信的可靠性，用CAN控制器的報(bào)文篩選器對(duì)報(bào)文進(jìn)行篩選，來對(duì)由于干擾而產(chǎn)生的錯(cuò)誤報(bào)文進(jìn)行濾波。

　　圖1 系統(tǒng)硬件組成

　　本系統(tǒng)主要是利用主機(jī)PC(PC104)采集多個(gè)下位機(jī)從被控對(duì)象得到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和綜合調(diào)度,其原理框圖如圖2所示。

　　圖2 原理框圖

　　其中CPLD完成從CAN控制器到PC總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。CAN控制器負(fù)責(zé)從總線上采集數(shù)據(jù)。總線驅(qū)動(dòng)部分由89C250完成總線驅(qū)動(dòng);光電隔離器完成CAN控制器與傳輸電纜的信號(hào)隔離，防止電纜上的非規(guī)則信號(hào)對(duì)CAN控制器產(chǎn)生干擾。

　　3.MAX+PLUSⅡ程序設(shè)計(jì)

　　Altera公司的MAX+PLUS Ⅱ是一個(gè)高效實(shí)用的工具。直接采用原理圖輸入方式，進(jìn)行編譯后寫入器件中;同時(shí)可在線更改寫入內(nèi)容，修改和調(diào)試簡(jiǎn)單易行。利用MAX+PLUS Ⅱ可以對(duì)輸入輸出關(guān)系進(jìn)行在線調(diào)試和仿真，開發(fā)和調(diào)試周期短而高效。MAX+PLUSⅡ的軟件設(shè)計(jì)的流程包括設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、編譯、后仿真、編程驗(yàn)證幾個(gè)部分。

　　本文所論述的系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行通信測(cè)試，在最高通信速度、通信距離、熱冗余和冷冗余實(shí)驗(yàn)等測(cè)試中都取得了良好的表現(xiàn)。這里僅論述邏輯設(shè)計(jì)輸入和功能仿真。

　　CPLD主要用于實(shí)現(xiàn)PC接口板的地址選擇比較器和CAN控制器到PC總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其設(shè)計(jì)輸入如圖3所示。

　　圖3 設(shè)計(jì)輸入

　　其中compare完成選址功能，MUX2×8完成總線轉(zhuǎn)換。

　　4.仿真實(shí)驗(yàn)

　　為簡(jiǎn)明起見，這里僅給出核心的部分時(shí)序仿真圖形，如圖4所示。

　　圖4 核心的部分時(shí)序仿真圖形

　　由仿真波形可知，在PC總線的讀寫操作進(jìn)行時(shí)，地址和數(shù)據(jù)很好的實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換，讀寫的周期完整，觸發(fā)迅速，保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確和迅速，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

　　5.結(jié)論

　　可編程邏輯器件的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)中的高效方式，它可以實(shí)現(xiàn)高效率、可靠的設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)一步提高電路的集成度;使用它設(shè)計(jì)的CAN通信卡可以作為通信接口而滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。同時(shí)，基于PC104系統(tǒng)的CAN通信的通信效率較高，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高速通信的需要，也可為復(fù)雜控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制提供強(qiáng)有力的工具。