CAN 總線（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡稱，是 20 世紀 80 年代初德國 BOSCH 公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(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 國際標準，稱為 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)，與其他同類技術(shù)相比，在可靠性、實時性和靈活性方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，主要特點如下：
CAN 總線是一種多主總線，總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。
CAN 總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。但多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點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間。即使在網(wǎng)絡負載很重的情況下也不會發(fā)生網(wǎng)絡癱瘓情況。
CAN 總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，選擇靈活。
CAN 總線的通信速率可達 1Mbit/s（此時通信距離最長為 40 米），通信距離最遠可達 10km（速率在 5kbit/s 以下）。
CAN 總線上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同級別的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可以在 134μs 內(nèi)得到傳輸。
CAN 總線通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無需專門的調(diào)度。
CAN 總線的數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。
CAN 總線采用 CRC 檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，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任何內(nèi)部活動的睡眠方式，相當于未連接到總線上，可以有效降低系統(tǒng)功耗。
CAN 總線上的節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。CAN 總線卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程中監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。另外，CAN 總線協(xié)議已被國際標準化組織認可，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。
CAN 總線插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。因此，用 FPGA 實現(xiàn) CAN 總線通信控制器具有非常重要的應用價值。本篇將通過一個實例講解利用 FPGA 實現(xiàn) CAN 總線通信控制器的實現(xiàn)方法。
第三篇內(nèi)容摘要：本篇會介紹程序的仿真與測試以及總結(jié)等相關(guān)內(nèi)容。
四、程序的仿真與測試
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（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）；
//設置總線時序寄存器
write_register（8'd6， {`CAN_TIMING0_SJW， `CAN_TIMING0_BRP}）；
write_register（8'd7， {`CAN_TIMING1_SAM， `CAN_TIMING1_TSEG2， `CAN_TIMING1_TSEG1}）；
// 設置時鐘分頻寄存器
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）；
//開關(guān)復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
repeat （BRP） @ （posedge clk）；
// 在復位后設置總線空閑
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
在測試過程中通過多個任務來分別驗證程序的各個功能模塊。下面的程序用于驗證強制關(guān)閉總線任務：
//強制關(guān)閉總線任務
task forced_bus_off; // Forcing bus-off by writinf to tx_err_cnt register
begin
//切換到復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， `CAN_MODE_RESET}）；
// 設置時鐘分頻寄存器
write_register（8'd31， {1'b1， 7'h0}）； // Setting the extended mode （not normal）
// 寫數(shù)據(jù)到寄存器中
write_register（8'd15， 255）；
// 切換復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
#2500000;
// 切換復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， `CAN_MODE_RESET}）；
// 寫數(shù)據(jù)到寄存器中
write_register（8'd15， 245）；
//關(guān)閉復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
#1000000;
end
endtask // forced_bus_off
下面的程序驗證如何發(fā)送一個基本格式的幀數(shù)據(jù)：
//發(fā)送一個基本格式的幀
task manual_frame_basic;
begin
// 切換到復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， （`CAN_MODE_RESET）}）；
//設置寄存器
write_register（8'd4， 8'h28）； // acceptance code
write_register（8'd5， 8'hff）； // acceptance mask
repeat （100） @ （posedge clk）；
// 切換復位模式
write_register（8'd0， {7'h0， ~（`CAN_MODE_RESET）}）；
// 模塊復位后設置總線空閑
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;
end
endtask // manual_frame_basic
五、總結(jié)
本篇通過一個實例講解如何用 FPGA 實現(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。接下來講解程序的主要框架和具體代碼。最后通過一個測試程序驗證了程序。這個實例為讀者實現(xiàn)自己的 CAN總線通信控制器提供了一個可以應用的案例。
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