CAN 總線（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，是 20 世紀(jì) 80 年代初德國(guó) BOSCH 公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。目前，CAN 總線已經(jīng)被列入 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱為 ISO11898。CAN 總線已經(jīng)成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。
CAN 總線作為數(shù)字式串行通信技術(shù)，與其他同類技術(shù)相比，在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)如下：
CAN 總線是一種多主總線，總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。
CAN 總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。但多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省總線沖突的仲裁時(shí)間。即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。
CAN 總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，選擇靈活。
CAN 總線的通信速率可達(dá) 1Mbit/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為 40 米），通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km（速率在 5kbit/s 以下）。
CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同級(jí)別的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可以在 134μs 內(nèi)得到傳輸。
CAN 總線通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)的調(diào)度。
CAN 總線的數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。
CAN 總線采用 CRC 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
CAN 總線上的器件可被置于無(wú)任何內(nèi)部活動(dòng)的睡眠方式，相當(dāng)于未連接到總線上，可以有效降低系統(tǒng)功耗。
CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。CAN 總線卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程中監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。另外，CAN 總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)可，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。
CAN 總線插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。因此，用 FPGA 實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信控制器具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。本篇將通過(guò)一個(gè)實(shí)例講解利用 FPGA 實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信控制器的實(shí)現(xiàn)方法。
第三篇內(nèi)容摘要：本篇會(huì)介紹程序的仿真與測(cè)試以及總結(jié)等相關(guān)內(nèi)容。
四、程序的仿真與測(cè)試
CAN 總線通信控制器的仿真程序，需要模擬數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
下面是測(cè)試程序的部分代碼：
//連接 can_top 模塊
can_top i_can_top（
.cs_can_i（cs_can），
.clk_i（clk），
.rx_i（rx_and_tx），
.tx_o（tx），
.irq_on（irq），
.clkout_o（clkout）
）；
//產(chǎn)生 24 MHz 時(shí)鐘
iniTIal
begin
clk=0;
forever #21 clk = ~clk;
end
//初始化
iniTIal
begin
start_tb = 0;
cs_can = 0;
rx = 1;
extended_mode = 0;
tx_bypassed = 0;
rst_i = 1'b0;
ale_i = 1'b0;
rd_i = 1'b0;
wr_i = 1'b0;
port_0_o = 8'h0;
port_0_en = 0;
port_free = 1;
rst_i = 1;
#200 rst_i = 0;
#200 start_tb = 1;
end
//產(chǎn)生延遲的 tx 信號(hào)（CAN 發(fā)送器延遲）
always
begin
wait （tx）；
repeat （4*BRP） @ （posedge clk）； // 4 TIme quants delay
#1 delayed_tx = tx;
wait （~tx）；
repeat （4*BRP） @ （posedge clk）； // 4 TIme quants delay
#1 delayed_tx = tx;
end
assign rx_and_tx = rx & （delayed_tx | tx_bypassed）； // When this signal is on， tx is not
looped back to the rx.
//主程序
initial
begin
wait（start_tb）；
//設(shè)置總線時(shí)序寄存器
write_register（8'd6， {`CAN_TIMING0_SJW， `CAN_TIMING0_BRP}）；
write_register（8'd7， {`CAN_TIMING1_SAM， `CAN_TIMING1_TSEG2， `CAN_TIMING1_TSEG1}）；
// 設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器
extended_mode = 1'b0;
write_register（8'd31， {extended_mode， 3'h0， 1'b0， 3'h0}）； // Setting the normal mode （not
extended）
//設(shè)置接收代碼和接收寄存器
write_register（8'd16， 8'ha6）； // acceptance code 0
write_register（8'd17， 8'hb0）； // acceptance code 1
write_register（8'd18， 8'h12）； // acceptance code 2
write_register（8'd19， 8'h30）； // acceptance code 3
write_register（8'd20， 8'h0）； // acceptance mask 0
write_register（8'd21， 8'h0）； // acceptance mask 1
write_register（8'd22， 8'h00）； // acceptance mask 2
write_register（8'd23， 8'h00）； // acceptance mask 3
write_register（8'd4， 8'he8）； // acceptance code
write_register（8'd5， 8'h0f）； // acceptance mask
#10;
repeat （1000） @ （posedge clk）；
//開(kāi)關(guān)復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
repeat （BRP） @ （posedge clk）；
// 在復(fù)位后設(shè)置總線空閑
repeat （11） send_bit（1）；
test_full_fifo; // test currently switched on
send_frame; // test currently switched off
bus_off_test; // test currently switched off
forced_bus_off; // test currently switched off
send_frame_basic; // test currently switched off
send_frame_extended; // test currently switched off
self_reception_request; // test currently switched off
manual_frame_basic; // test currently switched off
manual_frame_ext; // test currently switched off
$display（“CAN Testbench finished ！”）；
$stop;
end
在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)多個(gè)任務(wù)來(lái)分別驗(yàn)證程序的各個(gè)功能模塊。下面的程序用于驗(yàn)證強(qiáng)制關(guān)閉總線任務(wù)：
//強(qiáng)制關(guān)閉總線任務(wù)
task forced_bus_off; // Forcing bus-off by writinf to tx_err_cnt register
begin
//切換到復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， `CAN_MODE_RESET}）；
// 設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器
write_register（8'd31， {1'b1， 7'h0}）； // Setting the extended mode （not normal）
// 寫(xiě)數(shù)據(jù)到寄存器中
write_register（8'd15， 255）；
// 切換復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
#2500000;
// 切換復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， `CAN_MODE_RESET}）；
// 寫(xiě)數(shù)據(jù)到寄存器中
write_register（8'd15， 245）；
//關(guān)閉復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
#1000000;
end
endtask // forced_bus_off
下面的程序驗(yàn)證如何發(fā)送一個(gè)基本格式的幀數(shù)據(jù)：
//發(fā)送一個(gè)基本格式的幀
task manual_frame_basic;
begin
// 切換到復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， （`CAN_MODE_RESET）}）；
//設(shè)置寄存器
write_register（8'd4， 8'h28）； // acceptance code
write_register（8'd5， 8'hff）； // acceptance mask
repeat （100） @ （posedge clk）；
// 切換復(fù)位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
// 模塊復(fù)位后設(shè)置總線空閑
repeat （11） send_bit（1）；
write_register（8'd10， 8'h55）； // Writing ID［10:3］ = 0x55
write_register（8'd11， 8'h57）； // Writing ID［2:0］ = 0x2， rtr = 1， length = 7
write_register（8'd12， 8'h00）； // data byte 1
write_register（8'd13， 8'h00）； // data byte 2
write_register（8'd14， 8'h00）； // data byte 3
write_register（8'd15， 8'h00）； // data byte 4
write_register（8'd16， 8'h00）； // data byte 5
write_register（8'd17， 8'h00）； // data byte 6
write_register（8'd18， 8'h00）； // data byte 7
write_register（8'd19， 8'h00）； // data byte 8
tx_bypassed = 1; // When this signal is on， tx is not looped back to the rx.
fork
begin
self_reception_request_command;
end
begin
#2200;
repeat （1）
//開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)
begin
send_bit（0）； // 幀起始
send_bit（0）； // ID
send_bit（1）； // ID
send_bit（0）； // ID
send_bit（1）； // ID
send_bit（0）； // ID
send_bit（1）； // ID
send_bit（0）； // ID
send_bit（1）； // ID
send_bit（0）； // ID
send_bit（1）； // ID
send_bit（0）； // ID
send_bit（1）； // RTR
send_bit（0）； // IDE
send_bit（0）； // r0
send_bit（0）； // DLC
send_bit（1）； // DLC
send_bit（1）； // DLC
send_bit（1）； // DLC
send_bit（1）； // CRC
send_bit（1）； // CRC
send_bit（0）； // CRC stuff
send_bit（0）； // CRC 6
send_bit（0）； // CRC
send_bit（0）； // CRC
send_bit（0）； // CRC
send_bit（1）； // CRC stuff
send_bit（0）； // CRC 0
send_bit（0）； // CRC
send_bit（1）； // CRC
send_bit（0）； // CRC
send_bit（1）； // CRC 5
send_bit（1）； // CRC
send_bit（0）； // CRC
send_bit（1）； // CRC
send_bit（1）； // CRC b
send_bit（1）； // CRC DELIM
send_bit（0）； // ACK
send_bit（1）； // ACK DELIM
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // EOF
send_bit（1）； // INTER
send_bit（1）； // INTER
send_bit（1）； // INTER
end // repeat
end
join
//從接收緩沖中讀取數(shù)據(jù)
read_receive_buffer;
release_rx_buffer_command;
read_receive_buffer;
release_rx_buffer_command;
read_receive_buffer;
#4000000;
end
endtask // manual_frame_basic
五、總結(jié)
本篇通過(guò)一個(gè)實(shí)例講解如何用 FPGA 實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信控制器。首先講解了 CAN 總線協(xié)議的有關(guān)內(nèi)容，然后介紹了一種常用的 CAN 通信控制器 SJA1000 的主要特點(diǎn)。接下來(lái)講解程序的主要框架和具體代碼。最后通過(guò)一個(gè)測(cè)試程序驗(yàn)證了程序。這個(gè)實(shí)例為讀者實(shí)現(xiàn)自己的 CAN總線通信控制器提供了一個(gè)可以應(yīng)用的案例。
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