基于FPGA的VHDL语言设计控制器SJA1000的IP软核设计
分析了can控制器sja1000的特点及can协议通信格式。设计了控制器sja1000的ip软核，能为应用提供一个性能优良的、易于移植的控制器sja1000，实现了对步进电机的控制。
控制局域网（can）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。与一般的通信总线相比，can总线的数据通信可靠性、实时性和灵活性好，应用领域非常广泛，通常基于arm或51单片机，实现与can控制器的通信联络。fpga／sopc技术是实现嵌入式系统的最高形式，基于ip软核的设计与应用也必将成为替代硬核的一种发展趋势。凭借quartusli和niosii工具，基于fpga的vhdl（或verilog）语言设计的ip核能够提供灵活性和性能更好的控制器。
图1为一个基于fpga的控制器的can总线节点。其中pca82c251是can总线接收器，sja1000是can总线通信控制器，pmm8713是驱动步进电机的脉冲分配器，fpga模块在节点模型中对sja1000进行控制，并将接收到的帧信息进行处理，发送给脉冲分配器，以驱动步进电机。
在设计中采用自顶向下的设计方法。通过分析sja1000常用的控制芯片51单片机的功能，将其分为主要的4个模块：初始化模块、位查询模块、数据处理模块和缓冲区释放模块。
对sja1000完成控制功能的过程用状态图描述如图2所示，这也是系统的主状态机。4个状态对应上述的4个功能模块，首先在initial_st-ate完成对sja1000的初始化，在由init_end信号给出初始化完成标志后，进入查询状态，即query_rbs状态，由位查询模块完成此时对sja100 0的状态查询。如果查询到sja1000缓冲区有帧信息，将qrbs_end置“1”，进入下一个状态frame_cope，即帧处理状态，此时由数据处理模块完成对缓冲区的数据读取，并作处理。在读取完一帧数据后，需要释放缓冲区，为下一帧信息的接收做准备。此时状态转入了release_buff-er，对应功能模块中的缓冲区释放模块，此状态结束后又转入位查询状态，为下一帧信息接收做准备。
初始化模块主要在系统上电或重启后，先对sja1000进行初始化；位查询模块是在初始化完成后，对sja1000状态寄存器的接收缓冲区标志位不断进行查询，如果在缓冲区收到一帧信息后，则转入数据处理模块，否则继续进行查询；数据处理模块则是在查询到接收缓冲区有数据后，读入帧数据，并对帧数据进行处理；缓冲区释放模块是在一帧信息处理完毕后，释放缓冲区空间。
除了上述4个功能模块之外，还需要读写模块、双端口模块、模块接口控制逻辑等。
1 、读写模块
由sja1000的数据手册可知，sja1000提供的微处理器接口信号有地址数据复用总线ad0～ad7、地址锁存信号ale、片选信号、读写使能信号和、以及复位信号。
sja1000的数据信号和地址信号是时分复用的，而fpga中不存在地址的概念，对于fpga来说，输出的只有数据。因此设计的关键就是把s-ja1000中的寄存器地址当成数据写入到sja1000中，配合地址锁存信号ale和写允许信号完成对sja1000特定寄存器的命令字写入。读写使能信号是、以及复位信号。设计的关键就是把sja1000中的寄存器地址当成数据写入到sja1000中，配合地址锁存信号ale和写允许信号完成对sja1000特定寄存器的命令字写入。与写操作相似，只需严格按照时序，将ale、、、引脚的电平互相配合置高或置低，即可完成读操作。读写周期时序图如图3和图4所示。
设计时采用状态机的形式，由读写时序图可以看到，与sja1000读写相关的控制信号有ale、、、。无论读写，都必须先输出地址，由接口控制逻辑模块输入地址。ad［7．．0］是数据双向流通的，由双端口模块组成，读写模块与之相接口，输入、输出设计分开。读写模块在与接口控制逻辑接口模块相连接时，输出的数据与输入的数据也设计分开。同样读写模块的开启信号与读／写选择信号也由接口控制逻辑给出。由quartusli生成的读写模块如图5所示。
在idle状态等待，当4个功能模块中需要使用读写功能时，由接口控制模块控制使该功能模块与读写模块连接，相应的功能模块输出地址到读写模块，接口控制模块配合给出读写选择信号，然后进入address状态，输出地址到sja1000，判断读写选择信号后，进入读状态或者写状态。在读写子状态只需按照时序图输出ale、cs、wr、rd的值即可，标志信号w_ok表示一次读／写完成。
在sja1000的读写过程中，对各个信号的持续时间有着严格的要求。以读操作为例，信号的有效持续时间必须最大为50 ns，因此在设计中，信号保持低电平的时间可以比这个时间长。
2、 接口控制逻辑模块
接口控制逻辑是本系统的核心模块，它与4个功能模块、读写模块相连接，由一个状态机组成，即系统的主状态机。在状态机的不同状态中，控制读写状态机与对应的功能模块相连接，3个模块互相配合完成一项功能。quartusli生成的模块图如6所示。
每一个功能模块都有对应的接口信号，而data_in_infer、addr_out_infer、data_in_infer、w_ok_in、r_ok_in是读写模块的信号接口。
需要注意的是，本系统中使用了主从状态机，即状态机的嵌套。在主状态进入初始化状态机后，立即给出一个enable信号，启动从状态机，并设置一个从状态机的完成信号finish（高电平有效），且初始值为低，然后在主状态机不停的检测finish信号，如果finish为高，则进入下一个状态，查询状态。而在从状态机中，则不停地检测enable信号，如果为高，则开始工作，当完成从状态机后，将finish信号置高。如此就完成了主从状态机的互动。接口控制逻辑模块中的start、end信号即为系统主从状态机互动信号。
3 、初始化模块
初始化模块的功能是完成sja1000的初始化。can2．0b规范允许sja1000工作在两种模式，即basiccan模式和pelican模式，上电默认为basiccan模式。在两种模式下都需要对sja1000的模式寄存器cr、验收码寄存器acr、验收屏蔽寄存器amr、总线定时寄存器btr0、btr1和输出控制寄存器ocr写入控制命令。
在本设计中，借用rom的思想，将需要读写的寄存器地址和数据统一编码，固化存储起来，对sja1000进行读写时，只需要按照一定的顺序读出数据和地址，输出到即可。
4 、位查询模块
位查询模块主要功能是在sja1000转入工作模式后能够读取存在接受缓冲区rxfifo的帧信息，在本设计中读取帧信息采用了查询方式，即不停地查询sja1000状态寄存器sr的rbs位，如果查询到rbs位为“1”，即表明接收缓冲区满，rxfifo中有可用信息，此时将转入数据处理模块，由数据处理模块进行数据读入，并进行处理。在查询过程中，对sja1000的状态寄存器进行了读操作。
5、 数据处理模块
数据处理模块功能是从sja1000的缓冲区读入数据，并作处理。在读入数据时，只需将输出的地址定位到sja1000接收缓冲区的数据场依次将数据从缓冲区读入即可。在can总线的通信中，发送的为帧信息，其数据帧结构如图7所示。
在对数据进行处理时，前16位为id，有用的数据是在帧中的数据场（data field）中，因此只需略过前16位，对后面最多8个字节的数据进行处理，分配到步进电机的引脚上即可。
6、 缓冲区释放模块与双端口模块
在缓冲区的数据被读入后，需要对缓冲区的数据清零，为后续的数据读入做准备。本质上仍是对sja1000的命令寄存器（cmr）写操作。在状态寄存器与接收缓冲区相关的位为rrb，置1即可释放缓冲区，这样就会导致接收缓冲区内的另一条信息立即有效，从而进入下一帧数据的数据查询、处理过程。
在本设计中，输出的数据引脚为双向引脚，设计成三态输出，这是因为双向端口在完成输入功能时，必须使端口处于高阻态，否则外部数据不能正确读入。
其设计关键在于，实体部分必须对端口属性进行申明，端口属性必须为inout类型，在构造体对输出信号进行有条件的高阻控制。
结语
can总线接口控制器由vhdl语言描述，易于修改和移植，可以将几个软核集成到一个fpga芯片上去，具有单片机所没有的优势，在汽车领域具有良好的应用前景。
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图1为一个基于fpga的控制器的can总线节点。其中pca82c251是can总线接收器，sja1000是can总线通信控制器，pmm8713是驱动步进电机的脉冲分配器，fpga模块在节点模型中对sja1000进行控制，并将接收到的帧信息进行处理，发送给脉冲分配器，以驱动步进电机。
在设计中采用自顶向下的设计方法。通过分析sja1000常用的控制芯片51单片机的功能，将其分为主要的4个模块：初始化模块、位查询模块、数据处理模块和缓冲区释放模块。
对sja1000完成控制功能的过程用状态图描述如图2所示，这也是系统的主状态机。4个状态对应上述的4个功能模块，首先在initial_st-ate完成对sja1000的初始化，在由init_end信号给出初始化完成标志后，进入查询状态，即query_rbs状态，由位查询模块完成此时对sja100 0的状态查询。如果查询到sja1000缓冲区有帧信息，将qrbs_end置“1”，进入下一个状态frame_cope，即帧处理状态，此时由数据处理模块完成对缓冲区的数据读取，并作处理。在读取完一帧数据后，需要释放缓冲区，为下一帧信息的接收做准备。此时状态转入了release_buff-er，对应功能模块中的缓冲区释放模块，此状态结束后又转入位查询状态，为下一帧信息接收做准备。
初始化模块主要在系统上电或重启后，先对sja1000进行初始化；位查询模块是在初始化完成后，对sja1000状态寄存器的接收缓冲区标志位不断进行查询，如果在缓冲区收到一帧信息后，则转入数据处理模块，否则继续进行查询；数据处理模块则是在查询到接收缓冲区有数据后，读入帧数据，并对帧数据进行处理；缓冲区释放模块是在一帧信息处理完毕后，释放缓冲区空间。
除了上述4个功能模块之外，还需要读写模块、双端口模块、模块接口控制逻辑等。
1 、读写模块
由sja1000的数据手册可知，sja1000提供的微处理器接口信号有地址数据复用总线ad0～ad7、地址锁存信号ale、片选信号、读写使能信号和、以及复位信号。
sja1000的数据信号和地址信号是时分复用的，而fpga中不存在地址的概念，对于fpga来说，输出的只有数据。因此设计的关键就是把s-ja1000中的寄存器地址当成数据写入到sja1000中，配合地址锁存信号ale和写允许信号完成对sja1000特定寄存器的命令字写入。读写使能信号是、以及复位信号。设计的关键就是把sja1000中的寄存器地址当成数据写入到sja1000中，配合地址锁存信号ale和写允许信号完成对sja1000特定寄存器的命令字写入。与写操作相似，只需严格按照时序，将ale、、、引脚的电平互相配合置高或置低，即可完成读操作。读写周期时序图如图3和图4所示。
设计时采用状态机的形式，由读写时序图可以看到，与sja1000读写相关的控制信号有ale、、、。无论读写，都必须先输出地址，由接口控制逻辑模块输入地址。ad［7．．0］是数据双向流通的，由双端口模块组成，读写模块与之相接口，输入、输出设计分开。读写模块在与接口控制逻辑接口模块相连接时，输出的数据与输入的数据也设计分开。同样读写模块的开启信号与读／写选择信号也由接口控制逻辑给出。由quartusli生成的读写模块如图5所示。
在idle状态等待，当4个功能模块中需要使用读写功能时，由接口控制模块控制使该功能模块与读写模块连接，相应的功能模块输出地址到读写模块，接口控制模块配合给出读写选择信号，然后进入address状态，输出地址到sja1000，判断读写选择信号后，进入读状态或者写状态。在读写子状态只需按照时序图输出ale、cs、wr、rd的值即可，标志信号w_ok表示一次读／写完成。
在sja1000的读写过程中，对各个信号的持续时间有着严格的要求。以读操作为例，信号的有效持续时间必须最大为50 ns，因此在设计中，信号保持低电平的时间可以比这个时间长。
2、 接口控制逻辑模块
接口控制逻辑是本系统的核心模块，它与4个功能模块、读写模块相连接，由一个状态机组成，即系统的主状态机。在状态机的不同状态中，控制读写状态机与对应的功能模块相连接，3个模块互相配合完成一项功能。quartusli生成的模块图如6所示。
每一个功能模块都有对应的接口信号，而data_in_infer、addr_out_infer、data_in_infer、w_ok_in、r_ok_in是读写模块的信号接口。
需要注意的是，本系统中使用了主从状态机，即状态机的嵌套。在主状态进入初始化状态机后，立即给出一个enable信号，启动从状态机，并设置一个从状态机的完成信号finish（高电平有效），且初始值为低，然后在主状态机不停的检测finish信号，如果finish为高，则进入下一个状态，查询状态。而在从状态机中，则不停地检测enable信号，如果为高，则开始工作，当完成从状态机后，将finish信号置高。如此就完成了主从状态机的互动。接口控制逻辑模块中的start、end信号即为系统主从状态机互动信号。
3 、初始化模块
初始化模块的功能是完成sja1000的初始化。can2．0b规范允许sja1000工作在两种模式，即basiccan模式和pelican模式，上电默认为basiccan模式。在两种模式下都需要对sja1000的模式寄存器cr、验收码寄存器acr、验收屏蔽寄存器amr、总线定时寄存器btr0、btr1和输出控制寄存器ocr写入控制命令。
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4 、位查询模块
位查询模块主要功能是在sja1000转入工作模式后能够读取存在接受缓冲区rxfifo的帧信息，在本设计中读取帧信息采用了查询方式，即不停地查询sja1000状态寄存器sr的rbs位，如果查询到rbs位为“1”，即表明接收缓冲区满，rxfifo中有可用信息，此时将转入数据处理模块，由数据处理模块进行数据读入，并进行处理。在查询过程中，对sja1000的状态寄存器进行了读操作。
5、 数据处理模块
数据处理模块功能是从sja1000的缓冲区读入数据，并作处理。在读入数据时，只需将输出的地址定位到sja1000接收缓冲区的数据场依次将数据从缓冲区读入即可。在can总线的通信中，发送的为帧信息，其数据帧结构如图7所示。
在对数据进行处理时，前16位为id，有用的数据是在帧中的数据场（data field）中，因此只需略过前16位，对后面最多8个字节的数据进行处理，分配到步进电机的引脚上即可。
6、 缓冲区释放模块与双端口模块
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