劉素華，沈三民，黃仁杰

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051;2.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051)

CAN總線是國際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一，是一種多主方式的串行通信總線，已被廣泛應(yīng)用于汽車電子和航空等領(lǐng)域。C8051F040內(nèi)部集成有博世CAN控制器的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC)，能夠?qū)崿F(xiàn)國際上標(biāo)準(zhǔn)的CAN傳輸協(xié)議本［1］。本系統(tǒng)通過C8051F040單片機(jī)和FPGA來實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)的接收，并通過USB接口傳到上位機(jī)實時分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 總體框圖

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的主要作用是通過CAN總線接口接收來自其他設(shè)備的數(shù)字量和模擬量，并可以通過USB接口傳到上位機(jī)中，實時分析數(shù)據(jù)的可靠性。系統(tǒng)涉及到的主要模塊包括CAN總線接口模塊、C8051F040單片機(jī)控制模塊、FPGA主控模塊以及USB接口模塊。系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

上位機(jī)通過FT245BM和底層硬件設(shè)備進(jìn)行通信。FPGA中控單元主要是和FT245BM及單片機(jī)進(jìn)行通信，并對有關(guān)數(shù)據(jù)接收、緩存、發(fā)送等操作進(jìn)行控制。單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN控制器，通過CAN接口接收數(shù)字量數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)并傳送到FPGA控制單元。CAN總線收發(fā)器選用的是飛利浦公司生產(chǎn)的TJA1040。CAN總線控制器和CAN總線接口之間要通過高速光電耦合器6N137進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。信號傳輸易產(chǎn)生輻射和信號衰減，本文采用雙絞線外加金屬屏蔽層，可減少信號輻射，防止重要信息外泄，也可阻止外部電磁信號干擾的進(jìn)入，同時使用屏蔽雙絞線比使用非屏蔽雙絞線具有更高的信號傳輸速率。

2 CAN總線接口接收消息的控制

系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收主要是通過C8051F040系列單片機(jī)內(nèi)部集成的CAN模塊進(jìn)行，其硬件電路接口如圖2所示。

圖2 C8051F040單片機(jī)接口電路

單片機(jī)C8051F040的CAN核控制器原理如圖3所示。

圖3 CAN控制器的原理框圖

在圖3中，接口單元是CPU接口;消息處理單元主要是通過狀態(tài)機(jī)控制數(shù)據(jù)從CAN核的輸入輸出移位寄存器和消息RAM之間傳輸;所有寄存器都用來控制和配置CAN模塊;CAN核控制器及輸入、輸出移位寄存器用于消息的串/并轉(zhuǎn)換及其他和協(xié)議相關(guān)的任務(wù)。CAN控制器的幀格式是系統(tǒng)自動生成的，不需要自己去設(shè)計幀格式，只需要往相關(guān)的寄存器中寫入相應(yīng)的內(nèi)容即可。

系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)采用的是標(biāo)準(zhǔn)幀，接收數(shù)據(jù)時，當(dāng)接收到的消息仲裁和控制領(lǐng)域已經(jīng)完全移到CAN核的Rx/Tx移位寄存器時，消息處理的優(yōu)先狀態(tài)機(jī)便開始掃描消息RAM來匹配一個有效的消息對象。接收過濾的單元裝入CAN核移位寄存器中的仲裁位，然后消息對象的仲裁和屏蔽信息域裝入接收過濾單元并且和CAN核移位寄存器中的仲裁信息域相比較，直到找到匹配的消息對象。這種匹配會在所有的消息對象中重復(fù)。一旦匹配出現(xiàn)則停止掃描，進(jìn)行消息處理。接收消息控制的流程如圖4所示。

圖4 接收消息控制流程圖

3 FPGA主控模塊

模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)的接收以FPGA作為中央控制器。主要完成的功能有接收上位機(jī)命令、向單片機(jī)發(fā)送命令、接收單片機(jī)發(fā)送來的模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)，并通過緩存模塊進(jìn)行讀寫控制，將讀取到的數(shù)據(jù)混合編幀通過USB接口傳到上位機(jī)。FPGA主控模塊的原理如圖5所示。

圖5 FPGA主控模塊

如何在異步時鐘方式下實現(xiàn)同步是FPGA和單片機(jī)進(jìn)行實時通信的關(guān)鍵點(diǎn)。對于異步接口，可以采用以下兩種方式避免亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生:1)速率不匹配，需要緩存?？梢赃x擇使用FIFO或者雙RAM口進(jìn)行緩存。2)需要握手信號。可以使用雙握手信號，例如REQ和ACK等［2］。

3.1 命令信號傳輸控制

在本文中，考慮到系統(tǒng)的使用性，F(xiàn)PGA向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)主要為命令信號，需要進(jìn)行握手協(xié)議。首先FPGA需要將命令信號放在數(shù)據(jù)線上，同時向單片機(jī)發(fā)送請求信號，當(dāng)單片機(jī)接收到請求信號后，接收FPGA發(fā)送的命令，接收完畢后，向FPGA回傳應(yīng)答信號。這樣完成一次命令的發(fā)送，以此類推，保證了數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。

3.2 批量數(shù)據(jù)傳輸控制

當(dāng)單片機(jī)將收到的模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)向FPGA進(jìn)行傳送時，由于數(shù)據(jù)量較大，再使用握手信號來解決亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)就已經(jīng)不實用了。這時需要通過緩存RAM來解決亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在單片機(jī)和FPGA傳送數(shù)據(jù)時，每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)，則需要編寫一個控制信號，本文是在wr信號的上升沿處向FPGA發(fā)送1 byte數(shù)據(jù)。

經(jīng)過CAN總線傳過來的數(shù)字量和模擬量數(shù)據(jù)首先需要通過FPGA內(nèi)部的RAM模塊進(jìn)行緩存，F(xiàn)PGA通過監(jiān)測緩存模塊的半滿信號進(jìn)行讀取。在一般的電路設(shè)計中，只需要邏輯控制電路產(chǎn)生空信號和滿信號，考慮到實際情況，需要邏輯控制模塊產(chǎn)生半滿信號和滿信號。由于本文有兩種類型的數(shù)據(jù)，分別是模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。兩種類型的數(shù)據(jù)需要分別通過內(nèi)部FIFO進(jìn)行緩存。滿信號和半滿信號都是通過內(nèi)部邏輯控制模塊產(chǎn)生的。當(dāng)FULL=“1”時，停止向 RAM 中寫數(shù);當(dāng) FULL=“0”時，同時檢測寫使能信號和寫控制信號的上升沿，當(dāng)條件同時滿足時，則向RAM中寫數(shù)據(jù)，寫RAM控制流程圖見圖6所示。讀取RAM數(shù)據(jù)時，在復(fù)位的情況下，系統(tǒng)不做任何事情，當(dāng)不復(fù)位的情況下，系統(tǒng)優(yōu)先判斷模擬量數(shù)據(jù)緩存模塊的半滿信號，當(dāng)moni_HF=“1”時，讀取一定容量的數(shù)據(jù)，并按著圖7的幀格式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)模擬量RAM沒有出現(xiàn)半滿時再判斷數(shù)字量RAM塊。從RAM塊讀取數(shù)據(jù)的流程圖見圖8，當(dāng)都沒有出現(xiàn)半滿時則系統(tǒng)默認(rèn)為復(fù)位狀態(tài)。

圖6 寫RAM塊控制流程

圖7 模擬量和數(shù)字量幀結(jié)構(gòu)

圖8 讀RAM塊控制流程圖

在上位機(jī)實時監(jiān)測時，傳到上位機(jī)中的數(shù)據(jù)既有模擬量也有數(shù)字量，為了能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)均能夠?qū)崟r地在上位機(jī)中顯示，通過幀頭幀尾來拆分。每一幀數(shù)據(jù)的幀頭均為CA AC，一旦出現(xiàn)E3 3E或者9D D9，說明一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。如果為E3 3E，則實時表示數(shù)字量數(shù)據(jù)，若為D9 D9，則實時表示模擬量數(shù)據(jù)。

4 USB接口的設(shè)計

本文是通過FT245BM和上位機(jī)進(jìn)行通信的。硬件電路和上位機(jī)進(jìn)行通信時的時序圖見圖9和圖10。

在圖9中，當(dāng)FPGA檢測到TXE為低時，F(xiàn)T245BM允許接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)到USB端口，可以通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到緩存區(qū)中，發(fā)出寫控制命令，即可發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)TXE信號被硬件置高時，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。圖10中，當(dāng)FPGA檢測到RXF為低時，F(xiàn)T245BM內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)有來自USB接口的數(shù)據(jù)，發(fā)出讀控制命令，即可以從數(shù)據(jù)總線讀出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取結(jié)束，RXF信號硬件置高時，不能接收數(shù)據(jù)［3－4］。

為了保證接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)正確性，一定要將關(guān)鍵性信號進(jìn)行濾波。比如TXE和RXF都必須進(jìn)行濾波，否則的話，由于TXE和RXF這些信號的抖動，造成接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的錯誤。

5 系統(tǒng)的驗證

整套系統(tǒng)調(diào)試中連接其他設(shè)備，啟動整個系統(tǒng)進(jìn)行工作，并通過上位機(jī)軟件讀取到的硬件電路發(fā)送過來的模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)見圖11。

6 總結(jié)

本文主要是通過C8051F040單片機(jī)的CAN接口接收來自其他設(shè)備的模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)，主要以單片機(jī)和FPGA為中心，實現(xiàn)了單片機(jī)和FPGA之間的通信，適當(dāng)?shù)牟捎昧藘?nèi)部緩存和握手的方法大大減小了亞穩(wěn)態(tài)造成的影響，并通過內(nèi)部邏輯控制讀寫緩存中的數(shù)據(jù)，將模擬量和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)混合編幀，按著一定幀結(jié)構(gòu)通過USB接口傳到上位機(jī)中。

圖11 上位機(jī)監(jiān)測到的混合編幀數(shù)據(jù)

［1］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［2］吳曉蕻.跨時鐘若干問題的研究——同步與亞穩(wěn)態(tài)［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［3］安榮，任勇峰，李圣昆.基于FPGA和USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(3):49－51.

［4］徐峰.基于FT245BM的多USB接口的實現(xiàn)［J］.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，7(2):41－43.