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導(dǎo)讀
CAN 總線（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是 20 世紀(jì) 80 年代初德國(guó) BOSCH 公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)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(chēng)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(lèi)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(mǎn)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(zhuān)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?xún)r(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 registerbegin//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;endendtask //
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;
endendtask // 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。
編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論