CAN 總線(xiàn)允許高達(dá)1M bit /s通訊速率， 支持多主通訊模式， 有高抗電磁干擾性而且能夠檢測(cè)出通信過(guò)程中產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤， 已被廣泛應(yīng)用到各自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。在項(xiàng)目的特殊環(huán)境要求下， CAN總線(xiàn)通信要求使用FPGA作為系統(tǒng)中的主控制器， 較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)， FPGA能夠在速度和體積上有更好的適應(yīng)性。FPGA 一方面減少了電路板的復(fù)雜程度， 縮短了實(shí)現(xiàn)周期;另一方面， 其豐富的資源、超高的性能和靈活的可編程性， 提高了整個(gè)設(shè)備的可靠性， 大大增強(qiáng)了電路板設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。文中通過(guò)設(shè)計(jì)FPGA 的接口電路， 并利用Verilog語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信功能。

CAN總線(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ISO 11898–1的所有低級(jí)功能，同時(shí)收發(fā)器與物理層通信。不同的物理層需要不同的收發(fā)器，如高速can、低速容錯(cuò)can、高速可變數(shù)據(jù)速率can。

在一個(gè)典型的實(shí)現(xiàn)中，CAN總線(xiàn)控制器和微處理器被統(tǒng)一成一個(gè)啟用CAN的微控制器。市面上有帶SPI接口的外部CAN總線(xiàn)控制器，主要由微芯片制造，但它們往往會(huì)增加不必要的成本和復(fù)雜性。

在本文中，我們將研究從收發(fā)器到can總線(xiàn)連接器的電路設(shè)計(jì)。是時(shí)候把我們的手弄臟，設(shè)計(jì)我們的CAN總線(xiàn)電路!

第一步-選擇正確的IC

所有的CAN總線(xiàn)收發(fā)器的工作原理類(lèi)似，因?yàn)樗鼈兾挥趯?shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)控制器的微控制器(或FPGA)和CAN總線(xiàn)本身之間。不過(guò)，還是有一些不同之處，你應(yīng)該仔細(xì)考慮。

快速搜索合適的八角分類(lèi)揭示了CAN總線(xiàn)收發(fā)器的主要制造商按提供的集成電路數(shù)量降序排列為NXP半導(dǎo)體、微晶片、德州儀器、Maxim Integrated、模擬器件和ST微電子。

所有這些收發(fā)器看起來(lái)都很相似，但它們的特性和性能卻各不相同。

ESD保護(hù)

市場(chǎng)上第一個(gè)CAN總線(xiàn)收發(fā)器包括很少的ESD(靜電放電)事件保護(hù)。它們要求所有的I/O保護(hù)都要用外部組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際選型過(guò)程中，我們需關(guān)注CMC的多個(gè)關(guān)鍵特性，包括電感值、漏感(leakage inductance)、直流電阻(DC resistance)以及模式轉(zhuǎn)換特性(mode conversion characteristics)，以確保所選CMC能夠最優(yōu)化地滿(mǎn)足系統(tǒng)的EMC需求。

1.1、電感值

在選取CMC電感值時(shí)，我們首要考慮的是其對(duì)總線(xiàn)共模噪聲的抑制能力。為了有效抑制共模噪聲，CMC在共模噪聲頻率處應(yīng)具備盡可能高的電感值，從而呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，阻止噪聲傳播。然而，電感值的選擇并非越大越好，過(guò)大的電感值會(huì)帶來(lái)尺寸和成本上的挑戰(zhàn)。

綜合考慮，針對(duì)500kbps的CAN通信，推薦使用51uH電感值的CMC;而對(duì)于2Mbps的CAN FD通訊，則建議采用100uH電感值的CMC，以實(shí)現(xiàn)共模噪聲的有效抑制并兼顧尺寸與成本。

1.2、泄漏電感

泄漏電感，亦稱(chēng)為差模電感，對(duì)差模信號(hào)具有一定的抑制效果。然而，過(guò)大的泄漏電感可能會(huì)引發(fā)CAN信號(hào)的振鈴現(xiàn)象，從而干擾CAN總線(xiàn)的正常通訊。與此同時(shí)，適量的泄漏電感又能有效抑制CAN總線(xiàn)中的差模電流，進(jìn)而提升系統(tǒng)的整體EMI性能。

因此，在權(quán)衡泄漏電感的影響時(shí)，我們應(yīng)確保其既能發(fā)揮差模抑制作用，又不至于在總線(xiàn)信號(hào)上產(chǎn)生顯著的振鈴，確保CAN總線(xiàn)的正常通訊不受干擾。適度的泄漏電感對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)性能是有益的。

1.3、直流電阻

共模電感的直流電阻對(duì)總線(xiàn)信號(hào)的損耗具有直接影響。隨著直流電阻的增大，總線(xiàn)信號(hào)的損耗也會(huì)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致傳輸效率降低。因此，在確定了共模電感的電感值之后，選擇直流電阻盡可能小的CMC顯得尤為重要。

這樣做可以有效減少總線(xiàn)信號(hào)的損耗，提高信號(hào)傳輸效率，確保CAN總線(xiàn)通信的穩(wěn)定性和可靠性。

1.4、CMC的模式轉(zhuǎn)換特性

共模電感的模式轉(zhuǎn)換特性揭示了其上下線(xiàn)圈的對(duì)稱(chēng)程度，這一特性通過(guò)Ssd12/Sds21參數(shù)來(lái)衡量。當(dāng)Ssd12/Sds21參數(shù)的差異較大時(shí)，意味著模式轉(zhuǎn)換特性更為顯著，可能表明CMC的上下線(xiàn)圈存在較大的不對(duì)稱(chēng)性。這種不對(duì)稱(chēng)性會(huì)在CAN總線(xiàn)通信過(guò)程中引入額外的共模噪聲，從而降低CMC的EMI濾波效能。因此，在選擇CMC時(shí)，我們應(yīng)傾向于選擇那些Ssd12/Sds21參數(shù)接近的器件，以?xún)?yōu)化EMI性能。

如下圖所示的DLW32SH101XF2阻抗與頻率特性曲線(xiàn)，清晰地展示了CMC在共模噪聲頻率下的高共模阻抗Zc，這有助于有效抑制共模噪聲。同時(shí)，在CAN總線(xiàn)通信頻段內(nèi)，CMC保持了較低的差模阻抗Zd，確保在抑制共模噪聲的同時(shí)，不會(huì)對(duì)總線(xiàn)的正常通訊造成不利影響。

在CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信過(guò)程中，若總線(xiàn)遭遇異常故障，例如短路至BAT或Vcc，CMC的存在可能導(dǎo)致總線(xiàn)上產(chǎn)生接近或超出總線(xiàn)耐受電壓的瞬態(tài)電壓。對(duì)于NOVOSENSE系列的CAN收發(fā)器而言，此類(lèi)因總線(xiàn)短路而在CMC上產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓，恰好滿(mǎn)足芯片總線(xiàn)引腳內(nèi)部ESD防護(hù)電路的啟動(dòng)條件。

因此，由CMC感生的過(guò)壓能量將通過(guò)內(nèi)部ESD防護(hù)電路得到完全泄放，確保芯片免受任何損害，從而保障了收發(fā)器的可靠性和穩(wěn)定性。

1 CAN 接口硬件設(shè)計(jì)

1.1 CAN 節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成

一般來(lái)說(shuō)， 每個(gè)CAN 模塊能夠被分成3 個(gè)不同的功能塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN總線(xiàn)收發(fā)器提供CAN協(xié)議控制器與物理總線(xiàn)之間的接口， 控制從CAN 控制器到總線(xiàn)物理層或相反的邏輯電平信號(hào)。它的性能決定了總線(xiàn)接口、總線(xiàn)終端、總線(xiàn)長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)， 是影響整個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信性能的關(guān)鍵因素之一。CAN 控制器執(zhí)行在CAN 規(guī)范里規(guī)定的完整的CAN 協(xié)議， 它通常用于報(bào)文緩沖和驗(yàn)收濾波， 對(duì)外具有與主控制器和總線(xiàn)收發(fā)器的接口。主控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用的功能， 例如控制命令的發(fā)送、讀傳感器和處理人機(jī)接口等。它通過(guò)對(duì)CAN 控制器進(jìn)行編程， 來(lái)控制CAN 總線(xiàn)的工作方式和工作狀態(tài)， 以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

圖1 CAN 模塊系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路如圖2所示。SJA1000的AD0~ AD7地址數(shù)據(jù)復(fù)用端口、ALE地址鎖存端口、RD、WR、片選CS端口均通過(guò)轉(zhuǎn)換芯片與FPGA的I /O口相連。SJA1000 的中斷輸出信號(hào)INT連入FPGA, 使CAN通信可以采用中斷或查詢(xún)方式。RST 端口的電路實(shí)現(xiàn)SJA1000的上電自動(dòng)復(fù)位功能。MODE 模式選擇端接+ 5 V, 設(shè)置SJA1000控制器為Intel模式。SJA1000 的時(shí)鐘晶振采用16MH z, 頻率調(diào)整電容取15 pF. R16為終端電阻，設(shè)計(jì)中取120Ω。CAN 驅(qū)動(dòng)器PCA82C250 的RS腳為工作模式選擇位， 接地工作于高速模式， 接高工作于待機(jī)模式。系統(tǒng)通過(guò)電阻R14將芯片設(shè)定于斜率控制模式， 電阻值為47 kΩ , 這時(shí)CAN 總線(xiàn)應(yīng)工作于低速模式， 可提高CAN 總線(xiàn)抵抗射頻干擾的能力。在這種情況下， 可直接使用非屏蔽雙絞線(xiàn)作為總線(xiàn)。

設(shè)計(jì)中有2點(diǎn)需要特別注意：點(diǎn)是FPGA 并沒(méi)有與SJA1000直接相連。這是因?yàn)閷?duì)于設(shè)計(jì)選取的FPGAXCV600, 其接口電平不支持5 V TTL的I/O 標(biāo)準(zhǔn)， 如果與5 VI/O標(biāo)準(zhǔn)的SJA1000直接相連， 將可能導(dǎo)致FPGA 管腳電流過(guò)大， 造成器件鎖死或者燒毀。為此采用雙向總線(xiàn)收發(fā)器74ALVC164245, 把SJA1000的5 V TTL電平信號(hào)AD0 ~ AD7、ALE 轉(zhuǎn)換成3.3 V I/O 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)， 連接到FPGA 的引腳上。74ALVC164245 有2個(gè)8位電平轉(zhuǎn)換端口， 可獨(dú)立操作。其中電平信號(hào)AD0~ AD7必須按順序連接在總線(xiàn)收發(fā)器的一個(gè)8位端口上， 不可以分開(kāi)。第二點(diǎn)是：在CAN 控制器與收發(fā)器之間不采用光電隔離。這是因?yàn)樵黾庸怆姼綦x雖然能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力， 但也會(huì)增加CAN 總線(xiàn)有效回路信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間， 導(dǎo)致通信速率或距離減少。82C250等型號(hào)的CAN 收發(fā)器本身具備瞬間抗干擾、降低射頻干擾( RFI)以及實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的能力， 它具有的電流限制電路還提供了對(duì)總線(xiàn)的進(jìn)一步保護(hù)功能。如果現(xiàn)場(chǎng)傳輸距離近、電磁干擾小， 可以不采用光電隔離， 以使系統(tǒng)達(dá)到的通信速率或距離。

圖2 接口電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

FPGA對(duì)CAN 總線(xiàn)通訊模塊的控制主要包括3 部分：CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。由于通訊模塊對(duì)接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求并不是很高， 因此CAN 總線(xiàn)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送采用查詢(xún)方式。

2.1.1 初始化過(guò)程

系統(tǒng)上電后首先對(duì)82C250 和S JA1000 進(jìn)行初始化， 以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行， 初始化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( ACR)的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器( IER) 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)。設(shè)計(jì)中使SJA1000工作在PeliCan的方式下。

2.1.2 發(fā)送過(guò)程

發(fā)送時(shí)， 用戶(hù)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定的格式組合成一幀報(bào)文， 送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)中， 然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。當(dāng)然， 在往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， 未完成則等待發(fā)送完成。FPGA 通過(guò)SJA1000 向CAN 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的流程圖如圖3所示。

圖3 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

2.1.3 接收過(guò)程

接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其他情況處理。接收子程序比發(fā)送子程序要復(fù)雜一些， 因?yàn)樵谔幚斫邮請(qǐng)?bào)文的過(guò)程中， 同時(shí)要對(duì)諸如總線(xiàn)關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。只有在總線(xiàn)正常， 沒(méi)有錯(cuò)誤報(bào)警， 并且接收緩沖區(qū)中有新報(bào)文， 才開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作。對(duì)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢后釋放CAN接收緩沖區(qū)。FPGA 通過(guò)SJA1000接收CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

圖4 接收數(shù)據(jù)流程圖

2.2 FPGA 頂層模塊設(shè)計(jì)

FPGA頂層的模塊設(shè)計(jì)如圖5 所示。其中c lkdiv 模塊是將輸入的50MH z時(shí)鐘clock十分頻后作為模塊基準(zhǔn)時(shí)鐘。SJACTROL模塊是控制總線(xiàn)通信的主模塊， 而R&W 模塊則是根據(jù)主模塊的信號(hào)生成SJA1000所需要的讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)。SJACTROL模塊通過(guò)start和isw r兩個(gè)信號(hào)通知R&W 模塊是否要進(jìn)行讀或?qū)懣偩€(xiàn)操作。若是寫(xiě)操作， 則將地址和數(shù)據(jù)通過(guò)Addrout和Dataout傳遞給R&W, R&W 將負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地送到S JA1000的數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線(xiàn)ADDR, 并驅(qū)動(dòng)SJA1000接收數(shù)據(jù)， 在寫(xiě)操作完成后發(fā)送w riteover信號(hào)通知SJACTROL寫(xiě)操作完成。讀操作時(shí)R&W根據(jù)SJACTOL送來(lái)的地址， 從SJA1000的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上讀取數(shù)據(jù)， 并將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)Datasave 總線(xiàn)返回給SJACTROL。

圖5 頂層模塊設(shè)計(jì)

SJACTROL的狀態(tài)機(jī)通過(guò)5個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)控制：空閑狀態(tài)、初始化狀態(tài)、查詢(xún)狀態(tài)、讀狀態(tài)、寫(xiě)狀態(tài)。R&W 則是按照SJA1000的芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。在編寫(xiě)模塊時(shí)， 需注意雙向總線(xiàn)的編寫(xiě)技巧。雙向口在頂層定義， 否則模塊綜合的時(shí)候容易出錯(cuò)。

3仿真結(jié)果

FPGA中利用Verilog 編程產(chǎn)生SJA1000的片選信號(hào)CS, 地址鎖存信號(hào)ALE, 讀寫(xiě)信號(hào)RD、WR.這些控制信號(hào)共同驅(qū)動(dòng)SJA1000進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。設(shè)計(jì)選取的是v irtex系列的芯片， 邏輯開(kāi)發(fā)在ISE 平臺(tái)上進(jìn)行。在FPGA 的調(diào)試階段， 使用xilinx的應(yīng)用軟件 ChipScope pro( 在線(xiàn)邏輯分析儀) 來(lái)在線(xiàn)觀(guān)察FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)部信號(hào)的波形， 它比傳統(tǒng)的邏輯分析儀更方便。圖6為在線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送接收時(shí)的實(shí)際波形。

圖6SJA1000接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)序仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CAN 通信系統(tǒng)的分析， 利用FPGA作為CAN 通信節(jié)點(diǎn)的主控制單元， 對(duì)CAN 節(jié)點(diǎn)的硬件接口電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明， 并編寫(xiě)了CAN 節(jié)點(diǎn)通信流程中的初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送接收程序。通過(guò)軟硬件的聯(lián)調(diào)， 實(shí)現(xiàn)了CAN 總線(xiàn)的通信功能， 系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。實(shí)踐證明CAN 通信節(jié)點(diǎn)采用FPGA作為控制單元， 與傳統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)相比， 更加靈活并且擴(kuò)展性更強(qiáng)。