基于Verilog HDL語(yǔ)言的CAN總線(xiàn)控制器設計及驗證

0 引言
CAN(Controller Area Network)是由ISO定義的一種串行通信總線(xiàn)，它是一種能有效地支持高安全等級的分布實(shí)時(shí)控制的新一代網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)范疇。CAN最早被設計作為汽車(chē)環(huán)境中微控制器的通訊，在車(chē)載各電子控制裝置與ECU之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò )，目前應用領(lǐng)域已經(jīng)相當廣泛。
近年來(lái)，支持CAN協(xié)議的芯片不斷推出，給CAN總線(xiàn)用戶(hù)帶來(lái)了極大的方便。隨著(zhù)我國對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)需求的增加，CAN總線(xiàn)已經(jīng)會(huì )成為我國最常用的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。
基于CAN總線(xiàn)的ECU電子控制單元的開(kāi)發(fā)，也是現在最熱門(mén)的研究?，F在對CAN總線(xiàn)芯片的研究已經(jīng)不再局限于單一芯片的研究，而是把所有的功能芯片都集中在一塊芯片上實(shí)現一個(gè)完整的ECU的功能。
本項目目的是利用FPGA實(shí)現一款支持CAN2．0協(xié)議的總線(xiàn)控制器，完成一個(gè)通用的能夠滿(mǎn)足CAN2．0協(xié)議的CAN總線(xiàn)控制器軟IP核，這樣可以在以后的應用中方便的集成到其他系統中去。本文使用VerilogHDL語(yǔ)言，設計了一款支持CAN2．0協(xié)議的CAN總線(xiàn)控制器，并利用FPGA芯片在CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中對其進(jìn)行了測試，實(shí)現了設計目的。創(chuàng )新點(diǎn)為CAN_Registers設計中寄存器模塊、位流處理器的收發(fā)部分功能、測試程序、基于該FPGA的CAN總線(xiàn)控制器的節點(diǎn)電路等。

1 CAN總線(xiàn)控制器設計
1．1 CAN控制器設計流程
1．1．1 功能設計
首先對CAN2．0協(xié)議進(jìn)行了深入的分析，掌握了CAN總線(xiàn)協(xié)議的各部分內容；而后參照和分析了幾種典型的CAN總線(xiàn)控制器的功能；最后選擇PHILPS公司生產(chǎn)的CAN總線(xiàn)控制器SJA1000進(jìn)行進(jìn)一步的分析，掌握了它的各部分模塊的功能。在這些基礎上根據需要規劃了所設計的CAN總線(xiàn)控制器的功能。
1．1．2 設計描述和功能驗證
功能設計完成后，依據功能并參照CAN總線(xiàn)2．0協(xié)議，將控制器劃分為若干功能模塊，明確了各個(gè)功能模塊的作用。確定模塊及其功能之后，用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現了各模塊的設計。接著(zhù)，利用Modelsim對整個(gè)設計進(jìn)行了功能驗證。
1．1．3 邏輯綜合
功能仿真通過(guò)以后，利用QuartusⅡ對所設計的CAN總線(xiàn)控制器進(jìn)行邏輯綜合，并把其配置到FPGA中。
1．1．4 硬件驗證
配置到FPGA中以后，用所設計的基于FPGA的CAN總線(xiàn)控制器作為一個(gè)節點(diǎn)，與采用SJA1000作為控制器的節點(diǎn)電路進(jìn)行了通信測試，驗證了所設計的CAN總線(xiàn)控制器的功能。
1．2 CAN總線(xiàn)控制器的整體設計
1．2．1 控制器SJA1000的功能結構
SJA1000是PHILIPS公司于1997年推出的一種獨立CAN總線(xiàn)控制器，用于汽車(chē)和一般環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò )。SJA1000主要由以下幾個(gè)部分構成：接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器、接收濾波器、位數據流處理器、位時(shí)序邏輯、錯誤管理邏。SJA1000是雙列直插式集成電路，功能框圖如圖1所示。

1．2．2 本文中控制器的功能結構
本文設計的CAN控制器參照SJA1000控制器的結構，功能基本框架包含如圖2所示的3個(gè)功能模塊。

CAN_IML是CAN總線(xiàn)控制器接口邏輯，主要功能是解釋來(lái)自微處理器的命令，控制CAN寄存器的尋址，向微處理器提供中斷信息和狀態(tài)信息。