基于FPGA的CAN總線通信接口的設計

CAN總線是現場總線的一種，因為其成本低、容錯能力強、支持分布式控制、通信速率高等優點在汽車、工業控制、航天等領域得到廣泛應用。但是計算機沒有CAN總線接口，為了進行CAN總線的調試，必須具有專用的適配卡才能實現與計算機的通信。目前常用的CAN轉換器是基于單片機設計的，一般只適用于單路CAN總線的數據轉換，可擴展性差。
在小衛星相機下位機系統中使用了多種總線，如CAN總線與衛星管理計算機的通信；RS422(或RS485)總線與成像單元等下行單元的通信。在進行相機下位機系統地面調試時，可能需要多種總線轉換器。采用FPGA將不同總線協議轉換成USB2．0、RS232等可與計算機直接交換數據的協議，可增強設計的靈活性，降低設計的成本和復雜性，且可實現多路總線的數據通信接口。
這里以CAN總線通信接口為例，詳細論述了基于FPGA的CAN總線轉換USB接口的設計方案。

1 系統硬件組成
實現CAN總線與計算機雙向通信接口的核心是FPGA。它首先接收來自CAN總線的數據，保存在FPGA內部設計的FIF0緩存中，經過內部數據格式的轉換后，由USB控制器讀取并上傳給計算機。而總線數據注入過程的數據流向與之相反。FPCA選用Xilinx公司的Spartan3的XC3S200，系統硬件結構如圖l所示。

1．1 USB接口電路
USB是一種支持即插即用及熱插拔的串行總線，它具有傳輸速率高、連接靈活、使用方便等優點。CYPRESS公司的EZ-USB芯片CY7C68013A支持USB2．0協議，通信可靠，傳輸速率可達480 Mb／s。CY7C68013A工作在SLAVE FIF0異步通信方式下，接口電路如圖2所示。

SLAVE FIFO異步寫周期中，高電平需維持70ns，低電平需維持50ns，理論最高傳輸速率為8Mb／s，而CAN總線的最高傳輸速率為1Mb／s，符合通信要求。端口PA0～PA1用作USB控制器端向FPGA發送讀寫命令的控制線，由USB固件程序配合上位機端自定義請求代碼產生PA端口的控制信號。另外使用了EEPROM芯片24LC128存放USB固件程序。
1．2 CAN總線接口電路
選用Philips公司的SJA1000作為CAN控制器，采用PCA82C250作為CAN收發器，并在CAN控制器與收發器之間使用6N137進行光電隔離，以增強抗干擾能力。將MODE引腳接高電平即SJA1000工作在INTEL模式，引腳與復位芯片MAX706T的RESET引腳相連，進行全局復位。在FPGA與SJA1000連接時需要使用741V164245電平轉換器完成CAN總線5 V TTL電平向3．3 V FPGA I／O電平的轉換。另外，SJA1000的RX1引腳與PCA-82C 250的VREF引腳相連，使用輸入比較器旁路功能，可減少內部延時，增加正常通信的總線長度。具體的接口電路如圖3所示。