摘要：使用Verilog HDL硬件描述語言完成了對CAN總線控制器的設(shè)計,，能夠?qū)崿F(xiàn)符合CAN2．0A協(xié)議的所有功能,。本總線控制器的外部接口采用Altera公司開發(fā)的Avalon總線接口，增強(qiáng)了控制器的應(yīng)用靈活性,。本設(shè)計使用Modelsim軟件完成了功能仿真和時序仿真,。
關(guān)鍵詞：CAN總線；控制器,；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言
    CAN(控制器局域網(wǎng))是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議,，由德國BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898),，是國際上使用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,。目前世界上已有20多家CAN總線控制器生產(chǎn)商，110多種CAN總線控制器芯片和集成CAN總線控制器的微處理器芯片,。
    由于定制的CAN總線控制器芯片不能嵌入到SoC(片上系統(tǒng))中,，而采用分立元器件實(shí)現(xiàn)CAN總線接口，使得系統(tǒng)中器件數(shù)量增加,，同時也增大了系統(tǒng)面積,，本文所介紹的CAN總線控制器正是由Verilog HDL語言描述，既可以作為一個獨(dú)立的設(shè)備,，也可以作為一個模塊集成到FPGA中,。
    雖然目前國內(nèi)外已有很多人研究或設(shè)計了CAN總線控制器IP核，但其中大多數(shù)只是對控制器中的某一個模塊進(jìn)行了研究和設(shè)計,，并沒有實(shí)現(xiàn)一個完整的CAN總線控制器的功能,，例如文獻(xiàn)只對CAN控制器的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)只對CAN控制器的位定時模塊進(jìn)行研究。而完整實(shí)現(xiàn)了CAN總線控制器功能的作品中,，最高工作頻率又不是很理想,，例如Mentor Graphics公司提供的MCAN2D1 CAN2．0 Network Controller的最高工作頻率只有32．46MHz，文獻(xiàn)中介紹的CAN總線控制器的最高工作頻率也只有50MHz,，這些IP核顯然不能適應(yīng)高速環(huán)境的要求,，同時文獻(xiàn)中介紹的控制器對外接口中出現(xiàn)了寄存器使能位等接口，這種接口不符合Avalon總線規(guī)范,，不利于集成到FPGA芯片中,，其通用性肯定較差，所以研究并設(shè)計出一款高速且通用性強(qiáng)的CAN總線控制器的IP核仍然是有其重要意義的,。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)框圖
    本設(shè)計中將整個CAN控制器系統(tǒng)分為了11個模塊,，分別是Avalon總線接口模塊、寄存器組模塊,、接收緩沖器模塊,、發(fā)送緩沖器模塊、接收濾波模塊,、CRC校驗(yàn)?zāi)K,、狀態(tài)機(jī)模塊、標(biāo)識符填充模塊,、錯誤計數(shù)器模塊,、位填充模塊、位定時模塊,。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

1．2 主要模塊介紹
1．2．1 寄存器組模塊
    本模塊由位寬為8bit，深度為256的寄存器組實(shí)現(xiàn)其功能,，其中已經(jīng)使用的寄存器為23個,，其余的供以后擴(kuò)展。本設(shè)計采用將各個獨(dú)立的控制及狀態(tài)寄存器集成在一起的設(shè)計思想,，任何對控制器的初始化以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是從寫寄存器組開始的,。
1．2．2 CRC校驗(yàn)?zāi)K
    CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)是一種能力非常強(qiáng)的檢錯、糾錯碼,，常用于串行傳送的輔助存儲器與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,。它的基本原理是：在k位信息碼后再拼接r位的校驗(yàn)碼，整個編碼長度為n位,，因此,，這種編碼又叫(n，k)碼,。對于一個給定的(n,，k)碼,，可以證明存在一個最高次冪位n-k=r的多項(xiàng)式g(x),，根據(jù)g(x)可以生成七位信息的校驗(yàn)碼,，而g(x)叫做這個CRC碼的生成多項(xiàng)式。
    CAN總線協(xié)議就是采用的CRC校驗(yàn),，并且是16位的C R C-1 6校驗(yàn)碼,， 生成多項(xiàng)式為，可轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼組1100010110011001,。生成CRC碼的具體過程是：由幀起始,、仲裁場、控制場,、數(shù)據(jù)場(數(shù)據(jù)幀有數(shù)據(jù)場,，遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場)組成的被除數(shù)右移15位后與生成多項(xiàng)式的二進(jìn)制碼組進(jìn)行模2除，生成的15位余數(shù)就是所需的CRC碼,。
    本模塊的主要作用有兩個：1)在控制器處于發(fā)送狀態(tài)時,，計算出CRC碼，同時將幀起始,、仲裁場,、控制場、(數(shù)據(jù)場),、CRO場按幀格式的要求進(jìn)行打包,；2)在控制器處于接收狀態(tài)時，將接收到的由幀起始,、仲裁場,、控制場、(數(shù)據(jù)場),、CRC場組成的被除數(shù)與生成多項(xiàng)式的二進(jìn)制碼組進(jìn)行模2除,，結(jié)果為0，則接受數(shù)據(jù),，不為0,，則丟棄數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生CRC校驗(yàn)錯誤,。
1．2．3 立填充模塊
    在CAN總線協(xié)議中,，當(dāng)控制器處于發(fā)送或接收狀態(tài)時，若控制器檢測到總線上出現(xiàn)連續(xù)6個相同極性的電平時(幀結(jié)尾除外),，控制器將會檢測到錯誤而停止發(fā)送或接收數(shù)據(jù),，此時控制器將會由發(fā)送或接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為錯誤狀態(tài)。
    本模塊的主要作用是：在發(fā)送狀態(tài)時,，連續(xù)發(fā)送5個相同極性的位時,，若第5位與將要發(fā)送的第6位極性不同時,，在第5位和第6位之間插入1個極性與第6位相同的位，若第5位與將要發(fā)送的第6位極性相同,，在第5位和第6位之間插入1個極性與第6位相反的位,；在接收狀態(tài)時，連續(xù)接收5個相同極性的位時,，若第6位與之前5位的極性不同,，則舍棄第6位，若第6位與之前5位的極性相同,，則產(chǎn)生位填充錯誤,，控制器將停止接收數(shù)據(jù)，此時控制器也將由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為錯誤狀態(tài),。同時,，本模塊也具有檢測位錯誤，位填充錯誤,，形式錯誤及應(yīng)答錯誤的功能,。另外，模塊還具有生成錯誤幀,、過載幀,、間歇幀的功能。
1．2．4 狀態(tài)機(jī)模塊
    狀態(tài)機(jī)模塊在整個控制器中扮演著“大腦”的作用,，它控制著其它模塊的操作,。相比于文獻(xiàn)中未采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計，采用狀態(tài)機(jī)會使得各個模塊的功能作用更為明確,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為清晰合理,，同時也更便于各個模塊之間的協(xié)調(diào)控制。本狀態(tài)機(jī)模塊的設(shè)計采用和文獻(xiàn)中相同的設(shè)計,，將控制器分為了10種模式：總線脫離,、總線啟動、總線空閑,、模式選擇,、發(fā)送模式、接收模式,、錯誤模式,、間歇模式、超載模式及掛起模式,。CAN狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示,。

    掉電、復(fù)位及總線上過多的錯誤都會使控制器進(jìn)入總線脫離模式,；系統(tǒng)上電,、復(fù)位解除或過多錯誤而復(fù)位后的下個時鐘會使控制器進(jìn)入總線啟動模式,；在總線啟動模式下，若之前因掉電,、復(fù)位使控制器進(jìn)入總線脫離模式,，當(dāng)控制器監(jiān)測到總線上1次連續(xù)11個隱性位(邏輯電平1”)時，控制器進(jìn)入總線空閑狀態(tài),，若因過多錯誤使控制器進(jìn)入總線脫離模式,，則當(dāng)控制器監(jiān)測到總線上128次連續(xù)11個隱性位時,，控制器進(jìn)入總線空閑模式,；當(dāng)控制器沒有數(shù)據(jù)發(fā)送但監(jiān)測到總線上有顯性位(邏輯電平“0”)時，控制器進(jìn)入接收模式,，而當(dāng)控制器有數(shù)據(jù)發(fā)送同時監(jiān)測到總線上有顯性位時,，控制器進(jìn)入模式選擇模式；模式選擇其實(shí)就是一個總線仲裁,，此時標(biāo)識符將扮演仲裁位的角色,，顯性位的優(yōu)先級更高，若總線仲裁失敗則控制器進(jìn)入接收模式,，仲裁成功則進(jìn)入發(fā)送模式,；一幀數(shù)據(jù)成功發(fā)送完成后，控制器會進(jìn)入間歇模式,；若間歇幀發(fā)送成功,，則控制器會再次進(jìn)入總線空閑模式。狀態(tài)機(jī)由空閑模式轉(zhuǎn)換為模式選擇模式的仿真圖如圖3所示,。

1．2．5 位定時模塊
    位定時模塊控制著控制器報文發(fā)送或接收的節(jié)奏,，這個節(jié)奏就是位時間，它由四部分組成：同步段,、傳播段,、相位緩沖段1和相位緩沖段2，這四個段均由時間份額構(gòu)成,，時間份額是根據(jù)預(yù)先設(shè)置的分頻值對輸入時鐘進(jìn)行分頻得到的,。
    位定時模塊還有一個重要的功能是將本節(jié)點(diǎn)與總線上的其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時鐘同步。由于每個CAN節(jié)點(diǎn)使用的是獨(dú)立的時鐘,，所以不同節(jié)點(diǎn)之間會有相位差,，這些相位差嚴(yán)重時會影響報文發(fā)送和接收的準(zhǔn)確性，所以有必要對不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時鐘同步,。

2 系統(tǒng)驗(yàn)證
    整個系統(tǒng)的功能仿真和時序仿真是借助Modelsim軟件完成的,。圖4所示是對控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，測試用的發(fā)送數(shù)據(jù)為隨意選擇的：00101001,，仲裁場和控制場也是任選的,，分別為：110100101110,、110001，設(shè)置好寄存器組后,，控制器計算出對應(yīng)的CRC碼為：110111001111 011,，之后控制器將數(shù)據(jù)按CAN協(xié)議的幀格式打包逐位發(fā)送出去。

    控制器最初處于總線脫離模式,，復(fù)位結(jié)束后進(jìn)入總線啟動模式,，當(dāng)控制器檢測到總線上的1次連續(xù)11個隱性位時，進(jìn)入總線空閑模式,，接著當(dāng)控制器檢測到總線出現(xiàn)第一個顯性位時,，進(jìn)入模式選擇模式，在此模式下,，控制器進(jìn)行的操作就是總線仲裁,，確定本節(jié)點(diǎn)是否獲得總線控制權(quán)，由于本測試采用的是控制器自測模式,，即輸出線與輸入線連在一起,，所以仲裁時間為12個位時間，仲裁成功后,，控制器會進(jìn)入發(fā)送模式,，若無錯誤產(chǎn)生，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后控制器進(jìn)入間歇模式,，最后進(jìn)入總線空閑模式,。
    經(jīng)過一系列的測試驗(yàn)證后，表明本CAN總線控制器能夠發(fā)送或接收所有符合CAN2．0A協(xié)議的報文幀,。

3 結(jié)束語
    本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了所有符合CAN2．0A協(xié)議的CAN總線控制器功能,，最高工作頻率為139．43MHz，這也達(dá)到了最初的設(shè)計目的,?？刂破鞯臅r序分析如圖5所示。

    本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為：首先控制器的外圍接口采用Avalon總線接口,，這使得本設(shè)計的通用性更強(qiáng)：其次是本設(shè)計的最高工作頻率達(dá)到了139．43MHz,，能夠適應(yīng)高速通信的要求。