CAN总线控制器如何实现网络协议ISO 11898？

CAN 总线允许高达1M bit /s通讯速率， 支持多主通讯模式， 有高抗电磁干扰性而且能够检测出通信过程中产生的任何错误， 已被广泛应用到各自动化控制系统中。在项目的特殊环境要求下， CAN总线通信要求使用FPGA作为系统中的主控制器， 较之传统设计使用的单片机， FPGA能够在速度和体积上有更好的适应性。FPGA 一方面减少了电路板的复杂程度， 缩短了实现周期;另一方面， 其丰富的资源、超高的性能和灵活的可编程性， 提高了整个设备的可靠性， 大大增强了电路板设计的灵活性和可扩展性。文中通过设计FPGA 的接口电路， 并利用Verilog语言来编程实现CAN节点之间的通信功能。

CAN总线控制器实现网络协议ISO 11898–1的所有低级功能，同时收发器与物理层通信。不同的物理层需要不同的收发器，如高速can、低速容错can、高速可变数据速率can。

在一个典型的实现中，CAN总线控制器和微处理器被统一成一个启用CAN的微控制器。市面上有带SPI接口的外部CAN总线控制器，主要由微芯片制造，但它们往往会增加不必要的成本和复杂性。

在本文中，我们将研究从收发器到can总线连接器的电路设计。是时候把我们的手弄脏，设计我们的CAN总线电路!

第一步-选择正确的IC

所有的CAN总线收发器的工作原理类似，因为它们位于实现CAN总线控制器的微控制器(或FPGA)和CAN总线本身之间。不过，还是有一些不同之处，你应该仔细考虑。

快速搜索合适的八角分类揭示了CAN总线收发器的主要制造商按提供的集成电路数量降序排列为NXP半导体、微晶片、德州仪器、Maxim Integrated、模拟器件和ST微电子。

所有这些收发器看起来都很相似，但它们的特性和性能却各不相同。

ESD保护

市场上第一个CAN总线收发器包括很少的ESD(静电放电)事件保护。它们要求所有的I/O保护都要用外部组件来实现。

在实际选型过程中，我们需关注CMC的多个关键特性，包括电感值、漏感(leakage inductance)、直流电阻(DC resistance)以及模式转换特性(mode conversion characteristics)，以确保所选CMC能够最优化地满足系统的EMC需求。

1.1、电感值

在选取CMC电感值时，我们首要考虑的是其对总线共模噪声的抑制能力。为了有效抑制共模噪声，CMC在共模噪声频率处应具备尽可能高的电感值，从而呈现高阻抗状态，阻止噪声传播。然而，电感值的选择并非越大越好，过大的电感值会带来尺寸和成本上的挑战。

综合考虑，针对500kbps的CAN通信，推荐使用51uH电感值的CMC;而对于2Mbps的CAN FD通讯，则建议采用100uH电感值的CMC，以实现共模噪声的有效抑制并兼顾尺寸与成本。

1.2、泄漏电感

泄漏电感，亦称为差模电感，对差模信号具有一定的抑制效果。然而，过大的泄漏电感可能会引发CAN信号的振铃现象，从而干扰CAN总线的正常通讯。与此同时，适量的泄漏电感又能有效抑制CAN总线中的差模电流，进而提升系统的整体EMI性能。

因此，在权衡泄漏电感的影响时，我们应确保其既能发挥差模抑制作用，又不至于在总线信号上产生显著的振铃，确保CAN总线的正常通讯不受干扰。适度的泄漏电感对于优化系统性能是有益的。

1.3、直流电阻

共模电感的直流电阻对总线信号的损耗具有直接影响。随着直流电阻的增大，总线信号的损耗也会相应增加，从而导致传输效率降低。因此，在确定了共模电感的电感值之后，选择直流电阻尽可能小的CMC显得尤为重要。

这样做可以有效减少总线信号的损耗，提高信号传输效率，确保CAN总线通信的稳定性和可靠性。

1.4、CMC的模式转换特性

共模电感的模式转换特性揭示了其上下线圈的对称程度，这一特性通过Ssd12/Sds21参数来衡量。当Ssd12/Sds21参数的差异较大时，意味着模式转换特性更为显著，可能表明CMC的上下线圈存在较大的不对称性。这种不对称性会在CAN总线通信过程中引入额外的共模噪声，从而降低CMC的EMI滤波效能。因此，在选择CMC时，我们应倾向于选择那些Ssd12/Sds21参数接近的器件，以优化EMI性能。

如下图所示的DLW32SH101XF2阻抗与频率特性曲线，清晰地展示了CMC在共模噪声频率下的高共模阻抗Zc，这有助于有效抑制共模噪声。同时，在CAN总线通信频段内，CMC保持了较低的差模阻抗Zd，确保在抑制共模噪声的同时，不会对总线的正常通讯造成不利影响。

在CAN网络的正常通信过程中，若总线遭遇异常故障，例如短路至BAT或Vcc，CMC的存在可能导致总线上产生接近或超出总线耐受电压的瞬态电压。对于NOVOSENSE系列的CAN收发器而言，此类因总线短路而在CMC上产生的瞬态过压，恰好满足芯片总线引脚内部ESD防护电路的启动条件。

因此，由CMC感生的过压能量将通过内部ESD防护电路得到完全泄放，确保芯片免受任何损害，从而保障了收发器的可靠性和稳定性。

1 CAN 接口硬件设计

1.1 CAN 节点的系统构成

一般来说， 每个CAN 模块能够被分成3 个不同的功能块，其结构如图1所示。CAN总线收发器提供CAN协议控制器与物理总线之间的接口， 控制从CAN 控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号。它的性能决定了总线接口、总线终端、总线长度和节点数， 是影响整个总线网络通信性能的关键因素之一。CAN 控制器执行在CAN 规范里规定的完整的CAN 协议， 它通常用于报文缓冲和验收滤波， 对外具有与主控制器和总线收发器的接口。主控制器负责执行应用的功能， 例如控制命令的发送、读传感器和处理人机接口等。它通过对CAN 控制器进行编程， 来控制CAN 总线的工作方式和工作状态， 以及进行数据的发送和接收。

图1 CAN 模块系统构成

1.2 接口电路设计

接口电路如图2所示。SJA1000的AD0~ AD7地址数据复用端口、ALE地址锁存端口、RD、WR、片选CS端口均通过转换芯片与FPGA的I /O口相连。SJA1000 的中断输出信号INT连入FPGA, 使CAN通信可以采用中断或查询方式。RST 端口的电路实现SJA1000的上电自动复位功能。MODE 模式选择端接+ 5 V, 设置SJA1000控制器为Intel模式。SJA1000 的时钟晶振采用16MH z, 频率调整电容取15 pF. R16为终端电阻，设计中取120Ω。CAN 驱动器PCA82C250 的RS脚为工作模式选择位， 接地工作于高速模式， 接高工作于待机模式。系统通过电阻R14将芯片设定于斜率控制模式， 电阻值为47 kΩ , 这时CAN 总线应工作于低速模式， 可提高CAN 总线抵抗射频干扰的能力。在这种情况下， 可直接使用非屏蔽双绞线作为总线。

设计中有2点需要特别注意：点是FPGA 并没有与SJA1000直接相连。这是因为对于设计选取的FPGAXCV600, 其接口电平不支持5 V TTL的I/O 标准， 如果与5 VI/O标准的SJA1000直接相连， 将可能导致FPGA 管脚电流过大， 造成器件锁死或者烧毁。为此采用双向总线收发器74ALVC164245, 把SJA1000的5 V TTL电平信号AD0 ~ AD7、ALE 转换成3.3 V I/O 标准信号， 连接到FPGA 的引脚上。74ALVC164245 有2个8位电平转换端口， 可独立操作。其中电平信号AD0~ AD7必须按顺序连接在总线收发器的一个8位端口上， 不可以分开。第二点是：在CAN 控制器与收发器之间不采用光电隔离。这是因为增加光电隔离虽然能增强系统的抗干扰能力， 但也会增加CAN 总线有效回路信号的传输延迟时间， 导致通信速率或距离减少。82C250等型号的CAN 收发器本身具备瞬间抗干扰、降低射频干扰( RFI)以及实现热防护的能力， 它具有的电流限制电路还提供了对总线的进一步保护功能。如果现场传输距离近、电磁干扰小， 可以不采用光电隔离， 以使系统达到的通信速率或距离。

图2 接口电路

2 系统软件设计

2.1 设计流程

FPGA对CAN 总线通讯模块的控制主要包括3 部分：CAN总线节点初始化、报文发送和报文接收。由于通讯模块对接收数据的实时性要求并不是很高， 因此CAN 总线的数据接收和发送采用查询方式。

2.1.1 初始化过程

系统上电后首先对82C250 和S JA1000 进行初始化， 以确定工作主频、波特率、输出特性等。SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行， 初始化主要包括工作方式的设置、验收滤波方式的设置、验收屏蔽寄存器( AMR )和验收代码寄存器( ACR)的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器( IER) 的设置等。在完成SJA1000 的初始化设置以后， SJA1000 就可以回到工作状态， 进行正常的通信任务。设计中使SJA1000工作在PeliCan的方式下。

2.1.2 发送过程

发送时， 用户只需将待发送的数据按特定的格式组合成一帧报文， 送入SJA1000发送缓冲区中， 然后启动SJA1000发送即可。当然， 在往SJA1000 发送缓存区送报文之前， 必须先判断发送缓冲区是否锁定， 如果锁定则等待;判断上次发送是否完成， 未完成则等待发送完成。FPGA 通过SJA1000 向CAN 总线进行数据发送的流程图如图3所示。

图3 发送数据流程图

2.1.3 接收过程

接收子程序负责节点报文的接收以及其他情况处理。接收子程序比发送子程序要复杂一些， 因为在处理接收报文的过程中， 同时要对诸如总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。只有在总线正常， 没有错误报警， 并且接收缓冲区中有新报文， 才开始进行数据接收操作。对接收缓冲区的数据读取完毕后释放CAN接收缓冲区。FPGA 通过SJA1000接收CAN总线上的数据流程图如图4所示。

图4 接收数据流程图

2.2 FPGA 顶层模块设计

FPGA顶层的模块设计如图5 所示。其中c lkdiv 模块是将输入的50MH z时钟clock十分频后作为模块基准时钟。SJACTROL模块是控制总线通信的主模块， 而R&W 模块则是根据主模块的信号生成SJA1000所需要的读写时序信号。SJACTROL模块通过start和isw r两个信号通知R&W 模块是否要进行读或写总线操作。若是写操作， 则将地址和数据通过Addrout和Dataout传递给R&W, R&W 将负责把数据准确地送到S JA1000的数据地址复用总线ADDR, 并驱动SJA1000接收数据， 在写操作完成后发送w riteover信号通知SJACTROL写操作完成。读操作时R&W根据SJACTOL送来的地址， 从SJA1000的数据总线上读取数据， 并将得到的数据通过Datasave 总线返回给SJACTROL。

图5 顶层模块设计

SJACTROL的状态机通过5个状态的转换来实现控制：空闲状态、初始化状态、查询状态、读状态、写状态。R&W 则是按照SJA1000的芯片数据手册进行时序逻辑设计。在编写模块时， 需注意双向总线的编写技巧。双向口在顶层定义， 否则模块综合的时候容易出错。

3仿真结果

FPGA中利用Verilog 编程产生SJA1000的片选信号CS, 地址锁存信号ALE, 读写信号RD、WR.这些控制信号共同驱动SJA1000进行数据接收和发送。设计选取的是v irtex系列的芯片， 逻辑开发在ISE 平台上进行。在FPGA 的调试阶段， 使用xilinx的应用软件 ChipScope pro( 在线逻辑分析仪) 来在线观察FPGA设计内部信号的波形， 它比传统的逻辑分析仪更方便。图6为在线进行数据传送接收时的实际波形。

图6SJA1000接收和发送数据的时序仿真

4 结束语

通过对CAN 通信系统的分析， 利用FPGA作为CAN 通信节点的主控制单元， 对CAN 节点的硬件接口电路设计方案进行了详细的说明， 并编写了CAN 节点通信流程中的初始化程序、数据发送接收程序。通过软硬件的联调， 实现了CAN 总线的通信功能， 系统工作状态良好。实践证明CAN 通信节点采用FPGA作为控制单元， 与传统的单片机设计相比， 更加灵活并且扩展性更强。