基于FPGA和MCU的CAN-VME总线转换设计 Network, 控制系统, 局域网, 控制器, 可靠性

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摘要：为了扩展VME总线和CAN总线的应用范围，充分利用两种总线的不同传输特点，采用了模块设计方法，提出一种基于FPGA和MCU的总线转换方案。该方案给出了FPGA与上位VME总线部分的VME总线接口设计，利用MCU控制CPLD扩展的多通道CAN节点完成CAN总线部分的设计，还给出软件实现上的重点、难点和流程。实现了两种不同总线的转换，满足了工业环境对两种总线混合使用的要求。
CAN(Controller Area Network控制器局域网)以其高性能、高可靠性以及独特的设计等优点，为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的支持。CAN总线突出的可靠性、实时性和灵活性显示了它突出的优势，成为公认的最有前途的总线标准，广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。VME(Versa Module Eurocard)是一种通用的计算机总线，结合了Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。其独特的紧密耦合(Closely coupled)硬件构架，为其外围系统模块的设计提供了良好的基础，使VME总线广泛地应用于工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗领域。
本文提出了基于FPGA的VME总线和CAN总线之间的传输转换方案，满足一些特殊工业环境的需要，具有一定的研究意义和实用价值。
1 转换系统的硬件设计
该系统由VME总线接口模块、CAN总线节点(8路CAN节点)模块、复杂可编程逻辑器模块、MCU模块4部分核心模块构成。整个系统在一个3U标准的VME板卡上实现，机构紧凑，布局合理。系统的原理框图如图1所示。


1.1 VME总线接口模块
整个系统实现是两种通信之间的转换，所以数据的发送都是由上位主机发送的。由于FPGA控制灵活，所以很方便实现与VME总线的连接。文中FPGA器件选用XILINX公司的XC2S200系列的5PQ208，56Kb专用存储器，最高运行速度200MHz，I/O电压在3.3～5.5V，地址总线、数据总线，/AS，/IACKIN，/IACKOUT，SYS CLK等可以直接与5PQ208连接。
1.2 CAN总线节点模块
CAN总线节点模块是该系统中的主要模块，选用Philips公司生产的SJA1000，它负责连接总线与8路CAN选通主控制器CPLD之间的数据通信，其整个系统功能如图2所示。收发器选用P82C251T。CAN接口原理如图3所示。


1.3 复杂可编程逻辑器件(CPLD)模块
在系统中，由于FPGA的地址总线和数据总线是分开的，而SJA1000的地址和数据线是分时复用的，所以在总线接口上有一定差异，因此选用MAX3000系列可编程逻辑器件EPM3128来进行逻辑变换。该CPLD芯片有丰富的宏单元，80个用户I/O管脚，管脚间延迟时间是10ns，最高速度可达100MHz，能够满足系统设计的需要。可编程逻辑器件在系统中的功能为：转换FPGA与CAN控制器SJA1000之间的地址总线和数据总线；通过对FPGA的地址线译码，扩展CAN控制节点的通道。
1.4 MCU处理器
由于CAN总线的最高传输速度是1Mb/s，所以该部分选取宏晶STC12C5A60S2，FLASH程序存储器为56KB。SRAM为1280B，2个专用的UATR，丰富的CPU资源满足作为下位机的CPU控制单元，主要完成两种总线协议的转换，负责将从FPGA过来的VME总线转换成CAN总线格式，并传输到指定CAN节点；同时也将CPLD选通的CAN通道数据，转换为FPGA能识别的VME总线格式，并在MCU中断主机时，将数据反馈给VME主机。
2 转换系统的软件设计
2.1 软件设计思路
由FPGA构建8个双口RAM，8路CAN控制器通过这8个双口RAM与上位VME总线主机进行数据通信，RAM口分别映射到VME总线主机内存地址和MCU存储器空间中。系统数据传输采用MCU中断主机(VME主机)和主机中断MCU两种方式，前者通过触发主机外部中断实现，由双口RAM里面的中断控制来决定的，在触发中断后，提示主机读取CAN控制器接收到的数据以及CAN控制器的工作状态。主机中断MCU方式是通过MCU的外部中断管脚实现的，是由主机写入双口RAM的控制字实现的。触发该中断后，MCU就从主机接收要发送的报文，并发送到相应的CAN节点上，并配合主机配置CAN控制器的控制模式。中断流程如图4，图5所示。


2.2 FPGA的软件设计
在该系统中，数据都由VME主机控制，所以FPGA构造双口RAM(或者8个区域即可)，使VME主机和MCU在RAM中完成数据传输。即主机要发送的数据放入RAM中等待MCU提取，同时MCU发送的数据放入RAM中等待VME主机提取。
2.3 CAN节点软件设计
CAN节点软件是本系统的重点，它包括CAN控制器初始化、报文发送和报文接收3个部分。初始化主要完成设置工作方式、接收方式、屏蔽寄存器、验收代码寄存器、波特率和中断寄存器，并且要在复位模式下进行初始化。初始化流程如图6所示。


报文发送就是将代发的数据按照CAN总线协议的数据格式，组成一帧一帧的报文，送入SJA1000的发送缓冲区，触发SJA1000发送即可；报文接收同理。
2.4 MCU转换程序设计
微控制器程序设计的主要目的是以最快的速度响应中断请求，完成两种总线数据的转换和传输。编程时采用模块化思想，每个模块完成一定的功能。编程采用Keil公司的Keil μVision3编程工具，设计分为：初始化系统、使能中断、查询总线，随时准备响应MCU中断主机(VME主机)和主机中断MCU两种中断触发，并且完成VME总线和CAN总线之间的重组和交换，及时将转换后的信息相应地传送给VME主机或者发送到CAN节点上。流程如图7所示。


3 测试分析
测试过程由VME总线端和CAN总线端互相发送数据包。其中，测试了5组由VME总线发送到CAN总线的数据包；5组由CAN总线发送到VME总线的数据包，记录如表1所示。由表1测试结果所示，该系统中CAN总线节点都设置在1Mb/s的速率下，系统可以准确地接受和发送数据包。系统正确率之所以会随通信速度的提高而提高，主要原因在于系统在不同的通信速度时，数据包发送频率、发送的最小延时间隔都不相同。如果需要进一步的提升数据发送的正确率，需要系统在硬件设计和PCB板制作上分别努力，才能保证尽可能小的干扰，尽可能大的提高系统的稳定性和抗干扰性。
4 结语
该系统充分利用了VME总线和CAN总线的优点，在FPGA和MCU的基础上实现相应的电路的连接和软件的设计，成功地完成两种不同总线之间的转换，扩展了两种总线的应用范围。
作者：孙栋梁 李春明 来源：现代电子技术