引言
CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初,，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式適應(yīng)了汽車的實時性和可靠性要求,，倍受汽車生產(chǎn)廠商的青睞,。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上的ECU(Electronic Control Unit,，電子控制單元)越來越多,，如電控燃油噴射系統(tǒng),、防抱死制動系統(tǒng),、防滑控制系統(tǒng)等，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量也越來越大,，如何采用合理的存儲" title="存儲">存儲方案是記錄儀等大容量存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵,。本文詳細(xì)闡述了大容量存儲系統(tǒng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計。利用“FPGA+單片機”作為存儲控制器,，采用基于LZW算法的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),，以SDRAM作為周期存儲和緩存，SD卡作為最終存儲載體,。實驗結(jié)果表明,，該存儲系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于車載信息記錄儀。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖1所示,，存儲系統(tǒng)主要包括以下模塊：FPGA主控模塊,、CAN總線" title="CAN總線">CAN總線監(jiān)聽控制模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊,、SDRAM控制模塊和單片機控制CH376模塊,。本文主要介紹存儲部分，CAN總線監(jiān)聽控制模塊不做介紹,。圖中,，點畫線內(nèi)的部分均由FPGA控制。后端SD卡由MSP430單片機控制,，SD協(xié)議芯片采用CH376,。FPGA控制CAN總線控制芯片、CAN總線收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器從總線上獲取數(shù)據(jù),，經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮模塊壓縮,，存入SDRAM里。這里采用兩種存儲模式：一種是利用SDRAM存儲的可覆蓋性進行周期存儲,，具體存儲周期由壓縮率和SDRAM容量決定,；另一種是直接存儲，SDRAM作為緩存,。當(dāng)選擇直接存儲時,，F(xiàn)PGA與單片機通信，利用FIFO給單片機發(fā)送數(shù)據(jù),，單片機控制CH376將數(shù)據(jù)存入SD卡(存儲時間由SD卡容量決定),。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 FPGA主控模塊
FPGA選用Altera公司的Cyclone II" title="Cyclone II">Cyclone II系列芯片EP2C5T14418N" title="EP2C5T14418N">EP2C5T14418N，它具有內(nèi)部資源豐富,、速度快的特點,。上電后，主控模塊使能CAN總線監(jiān)聽控制模塊,、數(shù)據(jù)壓縮模塊,、SDRAM控制模塊。如果選擇周期存儲,，則不使能單片機,；若選擇直接存儲,，則讓單片機處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)SDRAM有數(shù)據(jù)時FPGA把數(shù)據(jù)發(fā)給單片機,，并使其控制CH376工作,。
2．2 數(shù)據(jù)壓縮模塊
壓縮算法采用LZW算法。該算法是一種基于字典的壓縮算法,，在數(shù)據(jù)的壓縮過程中會根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動態(tài)地建立一個字典,。后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)都會在這個字典中進行匹配查找，根據(jù)查找是否成功決定壓縮編碼的輸出,。該算法的巧妙之處在于,，壓縮過程中動態(tài)建立的字典不需要與壓縮數(shù)據(jù)流一道進行傳輸和存儲，然而在對數(shù)據(jù)進行解壓時也能夠通過壓縮數(shù)據(jù)流重新建立一個字典,，來完成解壓縮,。LZW壓縮算法流程如圖2所示。根據(jù)該流程,，采用C語言設(shè)計壓縮與解壓縮軟件以驗證算法和硬件壓縮的正確性,，用Verilog語言編寫了壓縮代碼，利用FPGA內(nèi)部RAM資源建立字典,。LZW壓縮算法的硬件邏輯功能框圖如圖3所示,。
2．3 SDRAM控制模塊
SDRAM(同步動態(tài)隨機存儲器)是一種易失性存儲器，以其容量大,、價格低的特點得到越來越廣泛的應(yīng)用,。但其控制邏輯復(fù)雜，需要周期性刷新操作,、行列管理,、不同延時和命令序列等。圖4是SDRAM的控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,。
2．4 單片機控制CH376模塊
CH376是一款國產(chǎn)文件管理控制芯片,，用于單片機系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件。CH376內(nèi)置了SD卡的通信接口,、FATl6,、FAT32以及FAT l2文件系統(tǒng)等固件，無需自己編寫底層協(xié)議,，控制簡單,，提供2 MB、24MHz的SPI設(shè)備接口,，支持連接到單片機的SPI串行總線,。CH376應(yīng)用連接圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)仿真與測試
程序編寫完之后,，利用Modelsim" title="Modelsim">Modelsim語言仿真軟件對其進行仿真,。ModelSim能提供友好的仿真環(huán)境，是單內(nèi)核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器,。它采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù),、Tcl／Tk技術(shù)和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，編譯仿真速度快,，編譯的代碼與平臺無關(guān),，是FPGA／ASIC設(shè)計的首選仿真軟件。硬件壓縮與存儲模塊仿真如圖6所示,。仿真結(jié)果表明,，硬件壓縮與軟件壓縮完全符合。
結(jié)語
本文設(shè)計了基于“FPGA+單片機”的車載CAN總線采集系統(tǒng),。利用FPGA的優(yōu)勢編寫了數(shù)據(jù)壓縮和SDRAM控制兩個模塊,，作為存儲系統(tǒng)的核心部分；利用單片機控制能力強,、簡單的特點設(shè)計了SD卡存儲控制器,，作為數(shù)據(jù)的最終存儲介質(zhì)，以方便用戶在計算機上直接讀取數(shù)據(jù),。實驗表明,，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，適合長時間記錄數(shù)據(jù),。