為了擴展VME總線和CAN總線的應(yīng)用范圍，充分利用兩種總線的不同傳輸特點，采用了模塊設(shè)計方法，提出一種基于FPGA和MCU的總線轉(zhuǎn)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(shè)計，利用MCU控制CPLD擴展的多通道CAN節(jié)點完成CAN總線部分的設(shè)計，還給出軟件實現(xiàn)上的重點、難點和流程。實現(xiàn)了兩種不同總線的轉(zhuǎn)換，滿足了工業(yè)環(huán)境對兩種總線混合使用的要求。
CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))以其高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計等優(yōu)點，為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)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(yōu)勢，成為公認的最有前途的總線標準，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。VME(Versa Module Eurocard)是一種通用的計算機總線，結(jié)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(gòu)。其獨特的緊密耦合(Closely coupled)硬件構(gòu)架，為其外圍系統(tǒng)模塊的設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)，使VME總線廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、軍用系統(tǒng)、航空航天、交通運輸和醫(yī)療領(lǐng)域。
本文提出了基于FPGA的VME總線和CAN總線之間的傳輸轉(zhuǎn)換方案，滿足一些特殊工業(yè)環(huán)境的需要，具有一定的研究意義和實用價值。
1 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件設(shè)計
該系統(tǒng)由VME總線接口模塊、CAN總線節(jié)點(8路CAN節(jié)點)模塊、復雜可編程邏輯器模塊、MCU模塊4部分核心模塊構(gòu)成。整個系統(tǒng)在一個3U標準的VME板卡上實現(xiàn)，機構(gòu)緊湊，布局合理。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
1.1 VME總線接口模塊
整個系統(tǒng)實現(xiàn)是兩種通信之間的轉(zhuǎn)換，所以數(shù)據(jù)的發(fā)送都是由上位主機發(fā)送的。由于FPGA控制靈活，所以很方便實現(xiàn)與VME總線的連接。文中FPGA器件選用XILINX公司的XC2S200系列的5PQ208，56Kb專用存儲器，最高運行速度200MHz，I/O電壓在3.3～5.5V，地址總線、數(shù)據(jù)總線，/AS，/IACKIN，/IACKOUT，SYS CLK等可以直接與5PQ208連接。
1.2 CAN總線節(jié)點模塊
CAN總線節(jié)點模塊是該系統(tǒng)中的主要模塊，選用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000，它負責連接總線與8路CAN選通主控制器CPLD之間的數(shù)據(jù)通信，其整個系統(tǒng)功能如圖2所示。收發(fā)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(tǒng)中，由于FPGA的地址總線和數(shù)據(jù)總線是分開的，而SJA1000的地址和數(shù)據(jù)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10ns，最高速度可達100MHz，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要。可編程邏輯器件在系統(tǒng)中的功能為：轉(zhuǎn)換FPGA與CAN控制器SJA1000之間的地址總線和數(shù)據(jù)總線；通過對FPGA的地址線譯碼，擴展CAN控制節(jié)點的通道。
1.4 MCU處理器
由于CAN總線的最高傳輸速度是1Mb/s，所以該部分選取宏晶STC12C5A60S2，F(xiàn)LASH程序存儲器為56KB。SRAM為1280B，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(xié)議的轉(zhuǎn)換，負責將從FPGA過來的VME總線轉(zhuǎn)換成CAN總線格式，并傳輸?shù)街付–AN節(jié)點；同時也將CPLD選通的CAN通道數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為FPGA能識別的VME總線格式，并在MCU中斷主機時，將數(shù)據(jù)反饋給VME主機。
2 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的軟件設(shè)計
2.1 軟件設(shè)計思路
由FPGA構(gòu)建8個雙口RAM，8路CAN控制器通過這8個雙口RAM與上位VME總線主機進行數(shù)據(jù)通信，RAM口分別映射到VME總線主機內(nèi)存地址和MCU存儲器空間中。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用MCU中斷主機(VME主機)和主機中斷MCU兩種方式，前者通過觸發(fā)主機外部中斷實現(xiàn)，由雙口RAM里面的中斷控制來決定的，在觸發(fā)中斷后，提示主機讀取CAN控制器接收到的數(shù)據(jù)以及CAN控制器的工作狀態(tài)。主機中斷MCU方式是通過MCU的外部中斷管腳實現(xiàn)的，是由主機寫入雙口RAM的控制字實現(xiàn)的。觸發(fā)該中斷后，MCU就從主機接收要發(fā)送的報文，并發(fā)送到相應(yīng)的CAN節(jié)點上，并配合主機配置CAN控制器的控制模式。中斷流程如圖4，圖5所示。
2.2 FPGA的軟件設(shè)計
在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)都由VME主機控制，所以FPGA構(gòu)造雙口RAM(或者8個區(qū)域即可)，使VME主機和MCU在RAM中完成數(shù)據(jù)傳輸。即主機要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入RAM中等待MCU提取，同時MCU發(fā)送的數(shù)據(jù)放入RAM中等待VME主機提取。
2.3 CAN節(jié)點軟件設(shè)計
CAN節(jié)點軟件是本系統(tǒng)的重點，它包括CAN控制器初始化、報文發(fā)送和報文接收3個部分。初始化主要完成設(shè)置工作方式、接收方式、屏蔽寄存器、驗收代碼寄存器、波特率和中斷寄存器，并且要在復位模式下進行初始化。初始化流程如圖6所示。
報文發(fā)送就是將代發(fā)的數(shù)據(jù)按照CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，組成一幀一幀的報文，送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，觸發(fā)SJA1000發(fā)送即可；報文接收同理。
2.4 MCU轉(zhuǎn)換程序設(shè)計
微控制器程序設(shè)計的主要目的是以最快的速度響應(yīng)中斷請求，完成兩種總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸。編程時采用模塊化思想，每個模塊完成一定的功能。編程采用Keil公司的Keil μVision3編程工具，設(shè)計分為：初始化系統(tǒng)、使能中斷、查詢總線，隨時準備響應(yīng)MCU中斷主機(VME主機)和主機中斷MCU兩種中斷觸發(fā)，并且完成VME總線和CAN總線之間的重組和交換，及時將轉(zhuǎn)換后的信息相應(yīng)地傳送給VME主機或者發(fā)送到CAN節(jié)點上。流程如圖7所示。
3 測試分析
測試過程由VME總線端和CAN總線端互相發(fā)送數(shù)據(jù)包。其中，測試了5組由VME總線發(fā)送到CAN總線的數(shù)據(jù)包；5組由CAN總線發(fā)送到VME總線的數(shù)據(jù)包，記錄如表1所示。由表1測試結(jié)果所示，該系統(tǒng)中CAN總線節(jié)點都設(shè)置在1Mb/s的速率下，系統(tǒng)可以準確地接受和發(fā)送數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)正確率之所以會隨通信速度的提高而提高，主要原因在于系統(tǒng)在不同的通信速度時，數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率、發(fā)送的最小延時間隔都不相同。如果需要進一步的提升數(shù)據(jù)發(fā)送的正確率，需要系統(tǒng)在硬件設(shè)計和PCB板制作上分別努力，才能保證盡可能小的干擾，盡可能大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。
4 結(jié)語
該系統(tǒng)充分利用了VME總線和CAN總線的優(yōu)點，在FPGA和MCU的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相應(yīng)的電路的連接和軟件的設(shè)計，成功地完成兩種不同總線之間的轉(zhuǎn)換，擴展了兩種總線的應(yīng)用范圍