CAN總線和1553B總線通信的FPGA設計與實現

■李宏偉

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

在時代的推動下，各類飛行設備承擔的任務更加紛繁復雜。為能夠提高數據可靠性，系統內部往往需要針對不同的工作設備選擇合適的總線通訊方式。在發揮各類總線通信的最大優勢的同時，總線之間的轉換傳輸也受到越來越多的關注。CAN總線與1553B總線均以數據傳輸可靠性高、傳輸速度快等優點，廣泛應用于飛行設備中[1]。對于兩總線之間的數據交互，傳統的解決辦法一般是采用FPGA+ARM雙處理器實現，但國產ARM芯片價格高，制板時周期相對較長[2]。系統采用單芯片FPGA實現CAN總線與1553B總線之間的通信，利用FPGA能夠并行處理數據的架構以及具有編程靈活的優勢，編寫總線底層傳輸協議，用軟件的方式實現數據的快速轉換與傳輸[3]。

一、系統總體設計

CAN總線與1553B總線之間通訊的系統總體設計框圖如圖1所示。系統數據流由FPGA控制，參與實現CAN總線與1553B總線之間通信的模塊主要包括CAN控制器模塊、數據轉換模塊、1553B協議模塊和RS422發送模塊。

圖1 系統總體設計框圖

CAN總線與1553B總線之間的通信是雙向的，以從1553B總線發送數據至CAN總線為例，該數據流的工作流程為：上電初始化所有模塊，FPGA通過編寫1553B底層協議模塊實現與1553B總線的數據交互，1553B底層協議模塊作為終端，接收總線發送來的數據并根據1553B協議對數據進行解析及格式轉換，然后通過CAN總線控制器模塊將轉換后的數據發送至CAN控制器SJA1000，最后驅動收發器完成數據的上傳，完成單向數據流的傳輸。為驗證總線間的傳輸無誤，采用RS422發送模塊將CAN控制器模塊接收到的數據發送至上位機進行顯示，對比1553B總線上發送的數據與上位機接收到的數據，判斷數據傳輸的可靠與否。從CAN總線發送數據至1553B總線的數據傳輸流程與上述類似。

二、系統模塊化設計

（一）CAN模塊設計

系統CAN模塊主要由CAN控制器及CAN收發器組成[4]，其中CAN控制器通過SPI接口與FPGA進行信息交互，然后控制器與收發器串行相連，CAN收發器將控制器中的數據按照物理層的數據協議進行轉換并實現與CAN總線的通信，CAN收發器與CAN總線通信即實現單端信號與差分信號的相互轉換[5]。系統選用NXP公司生產的CAN控制器SJA1000，符合CAN2.0協議規范，支持高速數據傳輸，速率高達1Mbps[6]。CAN收發器選用PCA82C250，它實現的是數據協議層的轉換傳輸，其傳輸速率與CAN控制器一致，最高為1Mbps[7]。系統主頻為80 Mbps，通過分頻模塊后提供給CAN控制器芯片的時鐘頻率為16 MHz。由于FPGA的I/O口電平為3.3 V，而CAN控制器芯片的工作電壓為5 V[8]，因此為實現兩芯片間的正常通訊，在數據進行傳輸時，需對其進行電平轉換。該模塊的工作原理圖如圖2所示，終端管腳INTE需上拉至3.3 V[9]。

圖2 CAN模塊工作原理

（二）數據轉換模塊設計

數據轉換模塊主要實現的是兩種總線協議下的數據位寬的轉變。由于1553B總線與CAN總線的數據傳輸速率不一致，為避免數據在總線交互過程中出現幀丟失或幀錯誤的現象，需對兩總線間的速率進行平衡。設計采用雙口RAM來解決速率匹配的問題[10]，根據協議要求，CAN模塊的數據輸入輸出寬度均為1 Byte，而1553B協議模塊的數據輸入輸出寬度均為2 Byte。因此，針對兩個方向的數據流采用2個RAM來對數據分別進行緩存。數據由CAN總線傳輸到1553B總線上的雙口RAM緩存設計如圖3所示。

圖3 雙口RAM緩存設計

三、系統軟件設計

（一）CAN模塊設計實現

1.CAN控制器模塊初始化

系統加電后，CAN控制器默認為復位狀態。FPGA需要對該控制器中的相關寄存器進行初始化配置，實現對其內部寄存器的配置，為其進入正常工作模式做準備[11]。初始化完成后，配置CAN控制器進入工作模式。CAN控制器模塊初始化過程如圖4所示。

圖4 CAN控制器模塊初始化過程

2.CAN控制器模塊接收設計

CAN控制器模塊中的接收模塊主要實現了CAN總線報文的接收。CAN控制器SJA1000接收CAN總線報文后產生中斷信號并使能接收模塊，通過該模塊調用SPI接口進行CAN報文接收，一幀報文接收完成后，將接收到的報文傳遞到接收報文分類模塊中，傳遞完成后通過處理器清除CAN控制器SJA1000芯片中斷使能信號[12]，為下次中斷做準備。接收報文分類模塊實現了對接收到CAN報文進一步判斷與緩存功能。若接收到的報文ID符合判斷條件時即與CAN控制器在初始化配置時所要求的一致，則對報文進行緩存并傳輸至數據格式轉換模塊。CAN控制器接收報文的過程如圖5所示。

圖5 CAN模塊接收報文時的流程圖

（二）1553B協議模塊設計實現

1.1553B協議模塊設計

系統中1553B協議模塊作為終端（RT），主要實現對1553B總線（BC）上數據的收發與解析。RT端向BC端數據傳輸時，1553B協議模塊首先需要檢測同步字，同步字中包含的信息用于區分字的類型[13]。RT端發送的數據信息經過了曼徹斯特編碼，因此在對接收數據進行解析前需要對其進行譯碼。譯碼后通過數據信息中的同步字判斷該條信息的字類型，若字類型為命令字，需對同步字之后的相關數據進行解析，BC端依照該條命令字執行相應的操作；若字類型為接收數據字命令字，BC端需對后續RT端發送的數據字進行緩存，并發送狀態字至RT端；若字類型為發送數據字命令字，BC端需讀取緩存的數據至RT端。1553B協議模塊設計框圖如圖6所示。

圖6 CAN1553B協議模塊設計框圖

2.1553B協議字格式

依照1553B傳輸協議，數據在總線上傳輸時其允許最大長度為32個字，每個字包含20 bit[14]。數據幀按照不同的類型劃分可以分為命令、狀態、數據。不同類型的字格式見圖7所示。

圖7 不同類型的字格式

3.1553B協議數據字收發

1553B總線控制器（BC端）與1553B協議模塊（RT端）通訊時，BC端占有絕對控制權。因此,不論RT端接收還是發送數據，均由BC端控制。當RT端收到接收數據的命令字時，根據該命令字中的信息獲取數據字的個數情況，判斷RAM接收到的經過譯碼后的數據字的個數是否正確，發送相應的狀態字給BC端。接收數據字流程如圖8所示。

圖8 1553B協議模塊接收數據字流程

當RT端收到發送數據的命令字時，根據該命令字中的信息讀取RAM中的指定字節個數的數據字，并對其進行曼徹斯特編碼后發送至BC端。

四、系統仿真與測試

（一）CAN模塊收發數據仿真

為驗證CAN模塊收發數據的正確性，對收發模塊均進行仿真測試。當CAN總線收發器檢測到CAN總線上有數據時，產生中斷信號給CAN控制器，然后將數據寫入CAN控制器的接收緩存區中。接收完數據之后，清除中斷標志。CAN口接收數據仿真圖如圖9所示。

圖9 CAN口接收數據仿真圖

向CAN總線上傳輸數據時，按照CAN協議幀格式，將數據首先發送至CAN總線控制器的發送緩存區中，然后驅動通過SPI接口發送數據至CAN總線上。CAN口發送報文仿真圖如圖10所示。

圖10 CAN口發送數據仿真圖

（二）1553B協議模塊仿真

為驗證1553B協議模塊數據收發的正確性，編寫測試文件，模擬BC端發送數據給RT端，其中RT端的地址為5'b00111。首先RT端發送命令字16'h3943，然后發送3個數據字16'hCA1C，16'hED9B，16'h8C93。BC端通過對接收到的命令字進行解析可知，BC端需要執行的操作是接收3個數據字。BC端將接收到的數據進行緩存之后發送狀態字給RT端。RT端通過解析接收到的狀態字可判斷出數據是否被接收。1553B協議模塊接收數據時的仿真圖如圖11所示。

圖11 1553B協議模塊接收數據仿真圖

（三）系統測試

為驗證系統中兩總線之間的通信正確，分兩部分進行測試。

1.由1553B總線發送數據字，經過1553B協議模塊、數據格式轉換模塊，最后通過CAN模塊將數據發送至CAN總線上。1553B總線上發送命令字16'h3D43，然后發送 3個數據字16'hC1C3，16'hE1CB，16'hE9D3。采用在線邏輯分析儀SignalTap對數據格式轉換模塊的輸入信號進行抓取，如圖12所示。

圖12 數據格式轉換模塊的輸入信號波形

為可以直觀地觀察到數據傳輸的正確與否，將CAN控制器中緩存的數據經由RS422發送模塊發送至上位機進行顯示，如圖13所示。對比圖12中的數據與串口助手收到的數據，驗證了該數據流向的正確性。

圖13 RS422發送的CAN總線數據

2.從CAN總線至1553B總線的傳輸驗證與（1）相反。采用串口助手發送數據至CAN控制器接收緩存器中，然后通過數據格式轉換模塊，最后通過1553B協議模塊將數據上發至1553B總線上。串口助手發送的數據為8'hCA，8'h9A，8'h8A，8'hC1，8'hC2，8'hE 2，8'hF1，8'h22。同樣地，采用 SignalTap對輸入到1553B協議模塊的信號進行采集，如圖14所示。對比串口發送的數據與圖14中的波形，可知該數據流向正確。

圖14 輸入到1553B協議模塊的信號采集

五、結論

系統采用FPGA實現CAN總線與1553B總線之間的通信，充分發揮FPGA并行處理的優勢，代替了ARM處理器實現1553B的通信，一方面縮減了產品的制造費用，另一方面使得產品的研發時間變短。經系統驗證，該設計能夠實現CAN總線與1553B總線之間的正確通信，滿足了設計需求，對其他總線間的通訊提供了可靠的參考價值。