基于FPGA和MCU的CAN-VME總線轉換設計

摘要：為了擴展VME總線和CAN總線的應用范圍，充分利用兩種總線的不同傳輸特點，采用了模塊設計方法，提出一種基于FPGA和MCU的總線轉換方案。該方案給出了FPGA與上位VME總線部分的VME總線接口設計，利用MCU控制CPLD擴展的多通道CAN節點完成CAN總線部分的設計，還給出軟件實現上的重點、難點和流程。實現了兩種不同總線的轉換，滿足了工業環境對兩種總線混合使用的要求。
關鍵詞：FPGA；MCU；VME總線；CAN總線；工業環境

CAN(Controller Area Network控制器局域網)以其高性能、高可靠性以及獨特的設計等優點，為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的支持。CAN總線突出的可靠性、實時性和靈活性顯示了它突出的優勢，成為公認的最有前途的總線標準，廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。VME(Versa Module Eurocard)是一種通用的計算機總線，結合了Motorola公司Versa總線的電氣標準和在歐洲建立的Eurocard標準的機械形狀因子，是一種開放式架構。其獨特的緊密耦合(Closely coupled)硬件構架，為其外圍系統模塊的設計提供了良好的基礎，使VME總線廣泛地應用于工業控制、軍用系統、航空航天、交通運輸和醫療領域。
本文提出了基于FPGA的VME總線和CAN總線之間的傳輸轉換方案，滿足一些特殊工業環境的需要，具有一定的研究意義和實用價值。

1 轉換系統的硬件設計
該系統由VME總線接口模塊、CAN總線節點(8路CAN節點)模塊、復雜可編程邏輯器模塊、MCU模塊4部分核心模塊構成。整個系統在一個3U標準的VME板卡上實現，機構緊湊，布局合理。系統的原理框圖如圖1所示。

1．1 VME總線接口模塊
整個系統實現是兩種通信之間的轉換，所以數據的發送都是由上位主機發送的。由于FPGA控制靈活，所以很方便實現與VME總線的連接。文中FPGA器件選用XILINX公司的XC2S200系列的5PQ208，56 Kb專用存儲器，最高運行速度200 MHz，I／O電壓在3．3～5．5 V，地址總線、數據總線，／AS，／IACKIN，／IACKOUT，SYS CLK等可以直接與5PQ208連接。
1．2 CAN總線節點模塊
CAN總線節點模塊是該系統中的主要模塊，選用Philips公司生產的SJA1000，它負責連接總線與8路CAN選通主控制器CPLD之間的數據通信，其整個系統功能如圖2所示。收發器選用P82C251T。CAN接口原理如圖3所示。

1．3 復雜可編程邏輯器件(CPLD)模塊
在系統中，由于FPGA的地址總線和數據總線是分開的，而SJA1000的地址和數據線是分時復用的，所以在總線接口上有一定差異，因此選用MAX3000系列可編程邏輯器件EPM3128來進行邏輯變換。該CPLD芯片有豐富的宏單元，80個用戶I／O管腳，管腳間延遲時間是10 ns，最高速度可達100 MHz，能夠滿足系統設計的需要。可編程邏輯器件在系統中的功能為：轉換FPGA與CAN控制器SJA1000之間的地址總線和數據總線；通過對FPGA的地址線譯碼，擴展CAN控制節點的通道。
1．4 MCU處理器
由于CAN總線的最高傳輸速度是1 Mb／s，所以該部分選取宏晶STC12C5A60S2，FLASH程序存儲器為56 KB。SRAM為1 280 B，2個專用的UATR，豐富的CPU資源滿足作為下位機的CPU控制單元，主要完成兩種總線協議的轉換，負責將從FPGA過來的VME總線轉換成CAN總線格式，并傳輸到指定CAN節點；同時也將CPLD選通的CAN通道數據，轉換為FPGA能識別的VME總線格式，并在MCU中斷主機時，將數據反饋給VME主機。