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基于CAN核的四冗余通信板設(shè)計(jì)與仿真

作者: 時(shí)間:2010-02-02 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展,利用FPGA進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已被廣泛應(yīng)用于、航天、醫(yī)療電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域,F(xiàn)PGA成為當(dāng)今硬件的首選方式之一。PC/104是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線,以其獨(dú)特的堆棧式結(jié)構(gòu)、低功率等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。作為主流的現(xiàn)場(chǎng)總線,工業(yè)控制局域網(wǎng)(Controller Area Network)總線抗干擾能力強(qiáng),易于組網(wǎng),具有非常廣闊的應(yīng)用前景。獨(dú)特的PC/104總線與總線的結(jié)合,進(jìn)一步拓寬了總線的應(yīng)用領(lǐng)域。

1FPGA的CAN核

采用了Altera公司的Cyclone III系列FPGA EP3C25,開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用了Altera公司的Quartus II軟件。CAN核的設(shè)計(jì)以SJA1000功能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

CAN核的功能框圖如圖1所示。該CAN總線控制器IP核,遵循CANbus 2.0標(biāo)準(zhǔn),其功能和寄存器操作與SJA1000兼容。IP核采用VHDL編碼,并采用容錯(cuò)設(shè)計(jì),可抑制存儲(chǔ)性器件的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn),大大提高了IP核的可靠性。CAN核可在FPGA中實(shí)現(xiàn),也可以實(shí)現(xiàn)為ASIC。其中包含3個(gè)主要模塊:寄存器組(can_registers),位時(shí)序邏輯(can_btl),位流處理器(can_bsp)。


寄存器組(CAN Register):外部微處理器可以通過(guò)地址直接訪問(wèn)這些寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),微處理器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖器,置位命令寄存器的發(fā)送請(qǐng)求位來(lái)啟動(dòng)發(fā)送。接收到數(shù)據(jù)后,核心控制器將其存在接收緩沖器,并通知位控制器將其取走。同時(shí),CAN寄存器中還有1個(gè)64字節(jié)的接收FIFO,可以1次存儲(chǔ)至少2個(gè)數(shù)據(jù)幀。

位時(shí)序邏輯(BTL):用來(lái)監(jiān)視CAN總線并處理與CAN總線相關(guān)的位時(shí)序。在消息的開(kāi)始處,當(dāng)位時(shí)序邏輯檢測(cè)到總線上由隱性位(recessive)到顯性位(dominant)的跳變時(shí),就會(huì)將其內(nèi)部邏輯同步到位流,稱(chēng)之為硬同步;隨后,在接收消息的過(guò)程中,檢測(cè)到隱性位到顯性位的跳變時(shí),便會(huì)重同步到位流,稱(chēng)之為軟同步。位時(shí)序邏輯還要根據(jù)總線定時(shí)寄存器0和總線定時(shí)寄存器1的值來(lái)決定每個(gè)位周期采樣點(diǎn)的位置,以補(bǔ)償傳輸延遲和相位漂移所造成的誤差;同時(shí),根據(jù)總線定時(shí)寄存器1的設(shè)置采取相應(yīng)的采樣模式(單次采樣或3次)對(duì)總線上的數(shù)據(jù)采樣。

位流處理器(BSP):根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的功能分為3個(gè)模塊:數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和錯(cuò)誤處理模塊。數(shù)據(jù)接收模塊將從位時(shí)序邏輯送過(guò)來(lái)的采樣數(shù)據(jù)去除位填充后送到移位寄存器進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換,之后對(duì)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn),在消息接收完時(shí)發(fā)送應(yīng)答信號(hào),表示接收無(wú)誤。最后將接收到的消息的特征碼與驗(yàn)收屏蔽寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較,以決定是否將接收的消息寫(xiě)入接收FIFO。數(shù)據(jù)接收模塊將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組成幀并進(jìn)行CRC計(jì)算,之后送入移位寄存器進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換,然后將串行數(shù)據(jù)編碼(位填充)后送到總線上。錯(cuò)誤監(jiān)視模塊根據(jù)協(xié)議規(guī)范中描述的錯(cuò)誤監(jiān)視機(jī)制檢測(cè)系統(tǒng)錯(cuò)誤,并設(shè)置相應(yīng)的寄存器,通知設(shè)備控制器。模塊根據(jù)協(xié)議描述的12種錯(cuò)誤監(jiān)視規(guī)則,在適當(dāng)情況下對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減或清除。控制器根據(jù)這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的值以及錯(cuò)誤限制寄存器的值來(lái)決定自己的故障狀態(tài):錯(cuò)誤激活(Error Active),錯(cuò)誤認(rèn)可(Error Passire)或總線關(guān)閉(Bus off On)。

2硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,因?yàn)楝F(xiàn)有的CAN總線收發(fā)器最大的工作頻率為1 MHz,在提高CAN的速度后,現(xiàn)有的CAN總線收發(fā)器就不能滿足需要了,因此改用RS485收發(fā)器。由于RS485收發(fā)器是差分傳輸,不能完成卡的自發(fā)自收功能,因此需要外置的CAN Hub。另外,要進(jìn)行光纖傳輸,要完成光的邏輯總線結(jié)構(gòu),也需要外置Hub。因此,本硬件設(shè)計(jì)分為CAN通信板的設(shè)計(jì)和CAN Hub的設(shè)計(jì)兩部分。

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