基于SJA1000 IP核的CAN總線通信系統(tǒng)

摘要：分析了CAN總線控制器的工作原理，以SJA1000為模型，提出基于SOPC技術(shù)的CAN總線控制器的設(shè)計方案，并完成SJA1000 IP核的設(shè)計；完成了在Altcra的Cyclone III型FPGA芯片上集成微處理器核、SJA1000 IP核、數(shù)據(jù)RAM、程序ROM為一體的完整CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果驗證了SJA1000 IP核設(shè)計方案的合理性。
關(guān)鍵詞：CAN總線；SOPC；IP核；FPGA

引言
CAN(Controller Area Network)是擰制器局域網(wǎng)的簡稱，是20世紀(jì)80年代初由德國BOSCH公司提出來的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于解決當(dāng)時由于汽車功能越來越多而導(dǎo)致汽車內(nèi)部信號連接線增多的問題。隨后CAN總線迅速發(fā)展，并于1993年被列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，形成了IOS 11898標(biāo)準(zhǔn)。至今，CAN總線已經(jīng)被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一，其應(yīng)用范圍也從當(dāng)初的汽車行業(yè)擴展到了機械工業(yè)、交通工具、醫(yī)療設(shè)備、建筑、環(huán)境控制等諸多領(lǐng)域中。
伴隨著CAN總線的高速發(fā)展，用戶對其也提出了更高的要求。這無疑給CAN總線帶來發(fā)展機遇的同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在這種新形勢下，CAN總線原有的設(shè)計方案和技術(shù)就顯得有些力不從心。
可編程片上系統(tǒng)(System On a Programmable Chip，SOPC)是一種新型的系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計的開發(fā)技術(shù)，是電路系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。它在集成度、設(shè)計靈活性以及可移植性等方面上的優(yōu)越性無疑可以給CAN總線系統(tǒng)設(shè)計帶來新的動力，使其能夠快速地適應(yīng)新形勢下的挑戰(zhàn)。

1 CAN總線控制器的工作原理
SJA1000芯片是Philips公司的一款獨立CAN總線控制器，主要用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的CAN總線系統(tǒng)上。相塒于它的前一款PCA 82C200，SJA1000主要的改進是在原有Basic CAN模式的基礎(chǔ)上增加了另一種工作模式(PeliCAN)——這種模式能夠支持擁有很多新特性的CAN 2．0B協(xié)議。出于兼容性的考慮，這兩種工作模式在SJA1000上都能夠?qū)崿F(xiàn)，通過配置時鐘分頻器寄存器，就可以在兩種工作模式之間轉(zhuǎn)換。但是應(yīng)特別注意的是芯片在復(fù)位后的默認(rèn)模式為BasicCAN。

2 SJA1000的設(shè)計
2．1 SJA1000的功能
SJA1000是一款獨立的CAN總線控制器，在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的功能與作用和一般的CAN總線控制器相同，都是用來實現(xiàn)CAN總線協(xié)議的模塊。SJA1000在CAN總線系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

在圖中共描繪了2個節(jié)點：一個標(biāo)準(zhǔn)參考模型節(jié)點和一個包含了SJA1000設(shè)備的節(jié)點。通過這樣的對比可以更加清楚地理解SJA1000的功能與作用。
2．2 SJA1000的結(jié)構(gòu)
按照SJA1000用戶使用手冊中的敘述，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

下面對這7個功能模塊的程序設(shè)計做一個大概的說明。
(1)寄存器控制程序
寄存器控制程序用丁完成SJA1000中所有有關(guān)寄存器操作。設(shè)計寄存器組子模塊包括模式寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、中斷使能寄存器、總線定時寄存器、仲裁丟失捕獲寄存器、錯誤代碼捕獲寄存器、錯誤報警限制寄存器、接收錯誤計數(shù)器、發(fā)送錯誤計數(shù)器、驗收代碼寄存器、驗收屏蔽寄存器、接收信息計數(shù)器、接收緩沖器起始地址寄存器、時鐘分頻寄存器和接收／發(fā)送緩沖器，方便微控制器對CAN Module內(nèi)部各個功能模塊的控制。
(2)位時序邏輯程序
位時序邏輯程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)視串行CAN總線，并處理與總線相關(guān)的位時序問題。在消息發(fā)送的開始處，當(dāng)位時序邏輯檢測到總線上由隱性位到顯性位的跳變時，其內(nèi)部邏輯同步到位流，稱之為硬同步。在接收消息的過程中，檢測到隱性位到顯性位的跳變時便會重同步到位流，稱之為軟同步。位時序邏輯根據(jù)總線定時寄存器和總線定時寄存器的值來決定每個位周期的采樣點的位置，以補償傳輸延遲和相位漂移所造成的誤差。