基于ZYNQ-7020的CAN總線節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方海伊，豆海利，馮 源

（1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710119；2.空軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，陜西 西安 710051）

0 引 言

控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）作為一種現(xiàn)場(chǎng)總線，具有良好的通信速率和開放性，采用簡(jiǎn)單的控制方式即可擴(kuò)展總線并連接多個(gè)設(shè)備。目前CAN總線憑借其良好的性能優(yōu)勢(shì)已在汽車電子、工業(yè)控制以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

CAN總線是一種總線型結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，總線上各個(gè)不同的CAN節(jié)點(diǎn)具有特定的功能，比如實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)顯示等，但所有的CAN節(jié)點(diǎn)都具有大致相同的硬件接口和軟件結(jié)構(gòu)，如圖1所示；并且總線上的所有節(jié)點(diǎn)均通過CAN接口電路連接到同一個(gè)通信電纜上。CAN節(jié)點(diǎn)接口通常由CAN總線收發(fā)器、CAN總線控制器以及接口控制器組成。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的CAN控制可以采用不同的節(jié)點(diǎn)控制器，具有較強(qiáng)的靈活性，但是外圍系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，通常需要配合DSP、CPLD等芯片實(shí)現(xiàn)通信功能[1]，外圍電路控制過程也較為復(fù)雜。另外CAN節(jié)點(diǎn)接口還可以將CAN總線控制器集成于節(jié)點(diǎn)控制器中，利用節(jié)點(diǎn)控制器不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序，還實(shí)現(xiàn)了總線收發(fā)器控制的功能，這種結(jié)構(gòu)的控制過程以及外圍電路組成較為簡(jiǎn)單，減少了成本，但是對(duì)于控制器本身的功能、性能要求較高，且需要具有較好的通用性。

圖1 CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

ZYNQ-7000系列芯片是一種由Xilinx公司研發(fā)，在市場(chǎng)上具有代表性的Soc芯片，該系列芯片采用ARM+FPGA結(jié)構(gòu)，將FPGA可編程邏輯和雙核ARM Cortex-A9集成在一顆芯片上。芯片的PS （Processing System）系統(tǒng)集成了兩個(gè) ARM處理器、內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器接口和大量外設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連接以及總線節(jié)點(diǎn)接口的控制功能；芯片的PL（Programmable Logic）系統(tǒng)則具有大量邏輯門電路、查找表以及觸發(fā)器，并配有諸多數(shù)字信號(hào)處理單元，大大提高了數(shù)據(jù)并行處理能力。芯片中高帶寬的AXI總線實(shí)現(xiàn)了PS與PL系統(tǒng)的互連。芯片的PS和PL可分開編程[2-3]，均可獨(dú)立運(yùn)行，并在上電或復(fù)位下啟動(dòng)。同時(shí)為了方便用戶開發(fā)，Xilinx 向用戶提供了許多集成的IP核，方便用戶快速開發(fā)使用，但是許多集成的IP核不能完全滿足用戶的多樣需求，因此在FPGA上還可以通過自定義IP核，即模塊化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)用戶需求[4]。與使用ARM配合 FPGA的傳統(tǒng)系統(tǒng)[5]相比，使用ZYNQ-7000作為系統(tǒng)控制器，不僅可以有效降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，還可以實(shí)現(xiàn)更好的性能和更高的集成度。

本文在Vivado開發(fā)平臺(tái)上基于ZYNQ-7020芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過調(diào)用ZYNQ-7020中的PS系統(tǒng)、PS系統(tǒng)復(fù)位、AXI互連、PL系統(tǒng)IP核完成系統(tǒng)級(jí)建模。隨后，在ZYNQ-7020上PL系統(tǒng)中利用Verilog HDL完成模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)CAN總線控制器功能，并利用AXI IP核實(shí)現(xiàn)與PS之間的數(shù)據(jù)交互。基于以上設(shè)計(jì)，在ZYNQ-7020芯片的PS系統(tǒng)中可以設(shè)計(jì)完成CAN總線接口和串行通信接口的創(chuàng)建，使用SDK軟件編寫CAN總線驅(qū)動(dòng)程序[6]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用層運(yùn)行。

1 基于ZYNQ的CAN總線節(jié)點(diǎn)接口硬件設(shè)計(jì)方法

本文提出了一種基于ZYNQ-7000系列芯片的CAN總線節(jié)點(diǎn)接口的設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)中采用ZYNQ-7020作為主控制器，利用其PS系統(tǒng)和PL系統(tǒng)協(xié)同工作并配合CAN總線收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)接口的控制。基于ZYNQ-7000系列芯片的CAN總線節(jié)點(diǎn)接口的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，總線節(jié)點(diǎn)接口主要由電源電路、時(shí)鐘電路、ZYNQ-7020外圍電路、CAN總線收發(fā)電路以及其他輔助電路組成。

圖2 基于ZYNQ-7020的CAN節(jié)點(diǎn)接口硬件結(jié)構(gòu)

（1）電源電路主要由外部供電電路以及電壓轉(zhuǎn)換電路組成，采用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)外部高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，具有電源防抖、轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。針對(duì)ZYNQ-7020芯片上PS系統(tǒng)以及PL系統(tǒng)電源單獨(dú)工作的特點(diǎn)，為其分別配置1.0 V、1.8 V、3.3 V供電電源實(shí)現(xiàn)內(nèi)核供電、RAM供電、IO BANK供電。配合電源芯片的輸入端電源轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制管腳以及輸出端狀態(tài)指示管腳，實(shí)現(xiàn)ZYNQ-7020芯片對(duì)于PS、PL的上電順序要求[7]。

（2）時(shí)鐘電路分別采用33.3 MHz和50 MHz的有源晶振為ZYNQ-7020芯片的PS系統(tǒng)和PL系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。雖然PL系統(tǒng)的時(shí)鐘源也可以通過PS系統(tǒng)的PLL產(chǎn)生，但是為了實(shí)現(xiàn)PS系統(tǒng)與PL系統(tǒng)的獨(dú)立控制，向PL系統(tǒng)提供了單獨(dú)的時(shí)鐘源。

（3）ZYNQ電路主要由ZYNQ-7020芯片、配置電路以及外設(shè)組成。由圖2可知，ZYNQ-7020芯片作為主要的功能芯片，主要包括PS系統(tǒng)和PL系統(tǒng)兩部分：在PL中建立CAN總線控制器模塊，用于CAN收發(fā)器邏輯電平收發(fā)以及CAN協(xié)議解析，并利用AXI模塊實(shí)現(xiàn)與PS的通信，在PS中實(shí)現(xiàn)CAN總線驅(qū)動(dòng)程序，利用AXI總線進(jìn)行PL的控制和CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸，具有集成度高、功能多樣、處理速度快的特點(diǎn)。ZYNQ-7020芯片配有QSPI FLASH芯片作為啟動(dòng)設(shè)備存儲(chǔ)系統(tǒng)的啟動(dòng)鏡像文件，包括PL的bit文件、ARM的應(yīng)用程序代碼、用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等，并且采用DDR3存儲(chǔ)直接連接ZYNQ-7020芯片的PS系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供高速外部存儲(chǔ)設(shè)備。

（4）CAN總線收發(fā)電路的主要功能是采用CAN收發(fā)器芯片將CAN總線差分電平轉(zhuǎn)換為CAN控制器的邏輯電平，采用具有電氣隔離和電源隔離的收發(fā)模塊，具有體積小、隔離功能強(qiáng)、使用方便的特點(diǎn)。

從圖2中可以看出，ZYNQ-7020芯片是本次節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)中的主要功能實(shí)現(xiàn)部件，主要包含的邏輯實(shí)現(xiàn)功能為：節(jié)點(diǎn)接口的CAN總線控制器功能、AXI通信模塊功能以及在PS系統(tǒng)中建立AXI通信功能。在PS系統(tǒng)中根據(jù)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備要求移植Linux操作系統(tǒng)、使用SDK軟件設(shè)計(jì)編寫CAN總線驅(qū)動(dòng)軟件接口，作為驅(qū)動(dòng)開發(fā)重點(diǎn)內(nèi)容，不在本文中進(jìn)行論述。

2 AXI總線控制設(shè)計(jì)

基于ZYNQ-7020的CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，AXI通信通路作為CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層交互的主要途徑，是本次設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。AXI通信實(shí)現(xiàn)了PS系統(tǒng)與PL系統(tǒng)之間的通信功能，如圖3所示的設(shè)計(jì)框架，AXI通信主要用于CAN總線數(shù)據(jù)訪問、PL系統(tǒng)的控制即CAN總線控制器模塊的功能控制。

圖3 ZYNQ-7020上PS和PL系統(tǒng)通信方案設(shè)計(jì)框圖

AXI通信功能在PL設(shè)計(jì)中由AXI Interconnect模塊、AXI-DMA模塊[8]、AXIS-Data FIFO以及CAN控制參數(shù)配置模塊組合實(shí)現(xiàn)[9]。AXI Interconnect模塊主要用于主設(shè)備管理多個(gè)從設(shè)備，通過AXI Interconnect模塊可以擴(kuò)展多個(gè)AXI-Lite總線接口，然后將多個(gè)從設(shè)備模塊分別與AXI-Lite總線接口連接，通過為這些模塊分配不同的偏移地址，主設(shè)備可以控制從設(shè)備。AXI-DMA是一種用于實(shí)現(xiàn)DMA功能的IP核，具有讀DDR存儲(chǔ)器和寫DDR存儲(chǔ)器兩個(gè)通道，當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，AXI-4總線從PS的DDR內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，AXI流總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇L的FIFO緩沖區(qū)；在寫入DDR存儲(chǔ)器的過程中，PL設(shè)備通過AXI流總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到AXI-DMA，通過AXI-4總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇S。AXI-DMA IP核內(nèi)部的寄存器可以通過AXI-Lite總線進(jìn)行讀寫。AXIS-Data FIFO為AXI流總線的接口，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。CAN控制參數(shù)配置模塊的主要作用是將PS發(fā)送過來的命令和參數(shù)傳遞給PL的CAN控制器，同時(shí)關(guān)注PL中CAN控制器狀態(tài)以方便PS讀取。

當(dāng)AXI通信用于PS對(duì)PL即CAN控制的邏輯功能控制時(shí)，這部分信號(hào)的控制不涉及高速數(shù)據(jù)傳輸，因此在PS中采用AXI-GP接口實(shí)現(xiàn)，通過AXI4總線傳輸至PL的AXI Interconnect模塊，將信號(hào)通過AXI-Lite總線寫入CAN控制參數(shù)配置模塊，從而進(jìn)行FIFO控制、CAN控制器邏輯控制和復(fù)位、CAN總線數(shù)據(jù)接收和錯(cuò)誤等信號(hào)的檢測(cè)。

另外，當(dāng)AXI通信被用于CAN總線數(shù)據(jù)訪問時(shí)主要是通過調(diào)用ZYNQ的AXI-DMA IP核來實(shí)現(xiàn)的[10]。當(dāng)PL接收到CAN總線數(shù)據(jù)后緩存在AXIS-Send FIFO中，將數(shù)據(jù)通過AXI流總線寫入AXI-DMA模塊，該IP核產(chǎn)生中斷信號(hào)通知PS處理器接收數(shù)據(jù)，PS響應(yīng)中斷并通過AXI-HP接口將數(shù)據(jù)寫入PS的DDR。當(dāng)PS向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PS處理器通過AXI-Lite總線將數(shù)據(jù)的信息寫入AXI-DMA IP，該IP核讀取DDR中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入AXIS-Recv FIFO中，再通過CAN總線控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 CAN總線控制器功能設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)接口的總線控制器是通過ZYNQ-7020芯片上的PL邏輯實(shí)現(xiàn)，利用Verilog HDL完成模塊化設(shè)計(jì)，圖4所示為PL系統(tǒng)上CAN總線控制器的設(shè)計(jì)框圖。從圖4可以看出，該邏輯主要包括信號(hào)控制接口、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、寄存控制管理、位時(shí)序同步、位流處理、錯(cuò)誤管理、驗(yàn)收濾波和收發(fā)緩沖等功能模塊組成。其中信號(hào)控制接口實(shí)現(xiàn)PS控制信號(hào)的接收和解析，并將控制信號(hào)下發(fā)給CAN總線控制器模塊。時(shí)鐘模塊和復(fù)位模塊根據(jù)PL系統(tǒng)中不同模塊控制性能產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，并響應(yīng)各類復(fù)位信號(hào)。參考SJA1000 CAN控制器功能將本次設(shè)計(jì)中CAN控制器的主要功能模塊再分為：寄存控制管理、位時(shí)序同步、位流處理、錯(cuò)誤管理、驗(yàn)收濾波和收發(fā)緩沖等模塊。

圖4 ZYNQ-7020上CAN總線控制器設(shè)計(jì)框圖

（1）寄存控制管理模塊：在CAN控制器中大量的工作需要通過寄存器實(shí)現(xiàn)，例如命令下發(fā)、邏輯狀態(tài)判斷、中斷信號(hào)標(biāo)記、中斷使能、屏蔽掩碼記錄、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)等功能。因此在FPGA中根據(jù)有無、同步/異步復(fù)位方式的不同來定義四種寄存器的實(shí)現(xiàn)方式[11]，并根據(jù)不同功能要求在寄存器控制模塊中進(jìn)行每個(gè)寄存器的類型定義。在該模塊中配合以上寄存器實(shí)現(xiàn)CAN控制器的各模塊工作狀態(tài)管理和控制。

（2）位時(shí)序同步模塊：CAN總線作為一種異步串行通信總線，缺少時(shí)鐘線，因此在位流接收和處理中，控制器需要實(shí)時(shí)觀察總線狀態(tài)，必須在接收到總線信號(hào)后立即產(chǎn)生位流同步信號(hào)，減小與總線的時(shí)鐘誤差以消除漏拍、錯(cuò)拍現(xiàn)象，并且對(duì)于總線數(shù)據(jù)流的位填充位也進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)軟同步。

（3）位流處理模塊：位流處理器是緩沖區(qū)與位時(shí)序同步模塊之間的控制數(shù)據(jù)流的模塊，根據(jù)位時(shí)序同步信號(hào)按時(shí)鐘節(jié)拍進(jìn)行有效數(shù)據(jù)流采集和傳輸，根據(jù)CAN2.0協(xié)議執(zhí)行標(biāo)志位檢測(cè)填充、位填充、仲裁、數(shù)據(jù)和信息提取填充，并檢測(cè)處理錯(cuò)誤。對(duì)于沒有位填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤和CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤的幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生ACK響應(yīng)字，并判斷接收節(jié)點(diǎn)是否產(chǎn)生ACK響應(yīng)。

（4）錯(cuò)誤管理模塊：該模塊中最重要的功能是實(shí)現(xiàn)CAN控制中采用的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)方法。CRC校驗(yàn)利用位流處理結(jié)果在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)發(fā)送內(nèi)容計(jì)算出CRC段數(shù)據(jù)并傳輸至位流處理模塊進(jìn)行位填充和發(fā)送；對(duì)于接收到的位流數(shù)據(jù)，根據(jù)接收內(nèi)容計(jì)算出一個(gè)CRC值并與接收的CRC段數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若存在傳輸錯(cuò)誤時(shí)，則向寄存器和總線通報(bào)錯(cuò)誤消息并進(jìn)行錯(cuò)誤計(jì)數(shù)；同時(shí)該模塊根據(jù)其他模塊工作發(fā)生的格式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤、位填充錯(cuò)誤、位發(fā)送錯(cuò)誤、CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤等進(jìn)行CAN錯(cuò)誤幀管理。

（5）驗(yàn)收濾波模塊：該模塊根據(jù)寄存器的屏蔽掩碼和驗(yàn)收代碼設(shè)置，判斷CRC校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)幀是否接收并存入接收緩沖器中。

（6）接收、發(fā)送緩沖模塊：兩模塊中分別存儲(chǔ)需要接收和發(fā)送的CAN總線數(shù)據(jù)，遵循FIFO的先入先出原則，并且通過AXI總線連接PS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層CAN數(shù)據(jù)總線控制。

通過以上模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)CAN總線控制的功能邏輯，配合時(shí)鐘模塊以及控制信號(hào)完成CAN總線協(xié)議的解析和數(shù)據(jù)收發(fā)。完成所有設(shè)計(jì)后，通過 Vivado完成編譯并集成 CAN控制器IP核模塊。該模塊利用大量邏輯門電路實(shí)現(xiàn)，具有一定的通用性，可移植性好。

4 結(jié) 語

本文基于ZYNQ-7020芯片的ARM+FPGA架構(gòu)進(jìn)行CAN總線節(jié)點(diǎn)接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。主要在Vivado開發(fā)平臺(tái)下調(diào)用ZYNQ-7020芯片的PL系統(tǒng)和PS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)接口的數(shù)據(jù)鏈路層功能以及與應(yīng)用層的交互。PL系統(tǒng)中利用邏輯器件完成CAN總線控制器的功能開發(fā)，具有CAN總線協(xié)議解析以及數(shù)據(jù)收發(fā)能力。在PL系統(tǒng)和PS系統(tǒng)中分別設(shè)計(jì)開發(fā)了AXI通信功能，用于PL系統(tǒng)與PS系統(tǒng)的CAN總線數(shù)據(jù)訪問、PL系統(tǒng)中CAN總線控制器功能控制。通過有效地利用ZYNQ-7020芯片的PS系統(tǒng)建立Linux系統(tǒng)，可運(yùn)行多種CAN總線驅(qū)動(dòng)接口軟件，實(shí)現(xiàn)與多種CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連接，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文提出的節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性良好、模塊體積較小且外圍接口豐富的特點(diǎn)，可滿足CAN節(jié)點(diǎn)用戶的個(gè)性化需求。