控制局域網(CAN)屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信可靠性、實時性和靈活性好，應用領域非常廣泛，通常基于ARM或51單片機，實現與CAN控制器的通信聯絡。FPGA／SOPC技術是實現嵌入式系統的最高形式，基于IP軟核的設計與應用也必將成為替代硬核的一種發展趨勢。憑借QuartuslI和NiosII工具，基于FPGA的VHDL(或Verilog)語言設計的IP核能夠提供靈活性和性能更好的控制器。
    圖1為一個基于FPGA的控制器的CAN總線節點。其中PCA82C251是CAN總線接收器，SJA1000是CAN總線通信控制器，PMM8713是驅動步進電機的脈沖分配器，FPGA模塊在節點模型中對SJA1000進行控制，并將接收到的幀信息進行處理，發送給脈沖分配器，以驅動步進電機。

    在設計中采用自頂向下的設計方法。通過分析SJA1000常用的控制芯片51單片機的功能，將其分為主要的4個模塊：初始化模塊、位查詢模塊、數據處理模塊和緩沖區釋放模塊。
    對SJA1000完成控制功能的過程用狀態圖描述如圖2所示，這也是系統的主狀態機。4個狀態對應上述的4個功能模塊，首先在initial_st-ate完成對sJA1000的初始化，在由init_end信號給出初始化完成標志后，進入查詢狀態，即query_RBS狀態，由位查詢模塊完成此時對SJA100 0的狀態查詢。如果查詢到SJA1000緩沖區有幀信息，將qRBS_end置“1”，進入下一個狀態frame_cope，即幀處理狀態，此時由數據處理模塊完成對緩沖區的數據讀取，并作處理。在讀取完一幀數據后，需要釋放緩沖區，為下一幀信息的接收做準備。此時狀態轉入了release_buff-er，對應功能模塊中的緩沖區釋放模塊，此狀態結束后又轉入位查詢狀態，為下一幀信息接收做準備。

    初始化模塊主要在系統上電或重啟后，先對SJA1000進行初始化；位查詢模塊是在初始化完成后，對SJA1000狀態寄存器的接收緩沖區標志位不斷進行查詢，如果在緩沖區收到一幀信息后，則轉入數據處理模塊，否則繼續進行查詢；數據處理模塊則是在查詢到接收緩沖區有數據后，讀入幀數據，并對幀數據進行處理；緩沖區釋放模塊是在一幀信息處理完畢后，釋放緩沖區空間。
    除了上述4個功能模塊之外，還需要讀寫模塊、雙端口模塊、模塊接口控制邏輯等。

1 讀寫模塊
    由SJA1000的數據手冊可知，SJA1000提供的微處理器接口信號有地址數據復用總線AD0～AD7、地址鎖存信號ALE、片選信號、讀寫使能信號和、以及復位信號。
    SJA1000的數據信號和地址信號是時分復用的，而FPGA中不存在地址的概念，對于FPGA來說，輸出的只有數據。因此設計的關鍵就是把S-JA1000中的寄存器地址當成數據寫入到SJA1000中，配合地址鎖存信號ALE和寫允許信號完成對SJA1000特定寄存器的命令字寫入。讀寫使能信號是、以及復位信號。設計的關鍵就是把SJA1000中的寄存器地址當成數據寫入到SJA1000中，配合地址鎖存信號ALE和寫允許信號完成對SJA1000特定寄存器的命令字寫入。與寫操作相似，只需嚴格按照時序，將ALE、、、引腳的電平互相配合置高或置低，即可完成讀操作。讀寫周期時序圖如圖3和圖4所示。

    設計時采用狀態機的形式，由讀寫時序圖可以看到，與SJA1000讀寫相關的控制信號有ALE、、、。無論讀寫，都必須先輸出地址，由接口控制邏輯模塊輸入地址。AD[7．．0]是數據雙向流通的，由雙端口模塊組成，讀寫模塊與之相接口，輸入、輸出設計分開。讀寫模塊在與接口控制邏輯接口模塊相連接時，輸出的數據與輸入的數據也設計分開。同樣讀寫模塊的開啟信號與讀／寫選擇信號也由接口控制邏輯給出。由QuartuslI生成的讀寫模塊如圖5所示。

    在IDLE狀態等待，當4個功能模塊中需要使用讀寫功能時，由接口控制模塊控制使該功能模塊與讀寫模塊連接，相應的功能模塊輸出地址到讀寫模塊，接口控制模塊配合給出讀寫選擇信號，然后進入address狀態，輸出地址到SJA1000，判斷讀寫選擇信號后，進入讀狀態或者寫狀態。在讀寫子狀態只需按照時序圖輸出ale、cs、wr、rd的值即可，標志信號w_ok表示一次讀／寫完成。
    在SJA1000的讀寫過程中，對各個信號的持續時間有著嚴格的要求。以讀操作為例，信號的有效持續時間必須最大為50 ns，因此在設計中，信號保持低電平的時間可以比這個時間長。

2 接口控制邏輯模塊
    接口控制邏輯是本系統的核心模塊，它與4個功能模塊、讀寫模塊相連接，由一個狀態機組成，即系統的主狀態機。在狀態機的不同狀態中，控制讀寫狀態機與對應的功能模塊相連接，3個模塊互相配合完成一項功能。QuartuslI生成的模塊圖如6所示。

    每一個功能模塊都有對應的接口信號，而data_in_infer、addr_out_infer、data_in_infer、w_ok_in、r_ok_in是讀寫模塊的信號接口。
    需要注意的是，本系統中使用了主從狀態機，即狀態機的嵌套。在主狀態進入初始化狀態機后，立即給出一個enable信號，啟動從狀態機，并設置一個從狀態機的完成信號finish(高電平有效)，且初始值為低，然后在主狀態機不停的檢測finish信號，如果finish為高，則進入下一個狀態，查詢狀態。而在從狀態機中，則不停地檢測enable信號，如果為高，則開始工作，當完成從狀態機后，將finish信號置高。如此就完成了主從狀態機的互動。接口控制邏輯模塊中的start、end信號即為系統主從狀態機互動信號。

3 初始化模塊
    初始化模塊的功能是完成SJA1000的初始化。CAN2．0B規范允許SJA1000工作在兩種模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式，上電默認為BasicCAN模式。在兩種模式下都需要對SJA1000的模式寄存器CR、驗收碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0、BTR1和輸出控制寄存器OCR寫入控制命令。
    在本設計中，借用ROM的思想，將需要讀寫的寄存器地址和數據統一編碼，固化存儲起來，對SJA1000進行讀寫時，只需要按照一定的順序讀出數據和地址，輸出到即可。

4 位查詢模塊
    位查詢模塊主要功能是在SJA1000轉入工作模式后能夠讀取存在接受緩沖區RXFIFO的幀信息，在本設計中讀取幀信息采用了查詢方式，即不停地查詢SJA1000狀態寄存器SR的RBS位，如果查詢到RBS位為“1”，即表明接收緩沖區滿，RXFIFO中有可用信息，此時將轉入數據處理模塊，由數據處理模塊進行數據讀入，并進行處理。在查詢過程中，對SJA1000的狀態寄存器進行了讀操作。

5 數據處理模塊
    數據處理模塊功能是從SJA1000的緩沖區讀入數據，并作處理。在讀入數據時，只需將輸出的地址定位到SJA1000接收緩沖區的數據場依次將數據從緩沖區讀入即可。在CAN總線的通信中，發送的為幀信息，其數據幀結構如圖7所示。

    在對數據進行處理時，前16位為ID，有用的數據是在幀中的數據場(Data Field)中，因此只需略過前16位，對后面最多8個字節的數據進行處理，分配到步進電機的引腳上即可。

6 緩沖區釋放模塊與雙端口模塊
    在緩沖區的數據被讀入后，需要對緩沖區的數據清零，為后續的數據讀入做準備。本質上仍是對SJA1000的命令寄存器(CMR)寫操作。在狀態寄存器與接收緩沖區相關的位為RRB，置1即可釋放緩沖區，這樣就會導致接收緩沖區內的另一條信息立即有效，從而進入下一幀數據的數據查詢、處理過程。
    在本設計中，輸出的數據引腳為雙向引腳，設計成三態輸出，這是因為雙向端口在完成輸入功能時，必須使端口處于高阻態，否則外部數據不能正確讀入。
    其設計關鍵在于，實體部分必須對端口屬性進行申明，端口屬性必須為inout類型，在構造體對輸出信號進行有條件的高阻控制。

結語
    CAN總線接口控制器由VHDL語言描述，易于修改和移植，可以將幾個軟核集成到一個FPGA芯片上去，具有單片機所沒有的優勢，在汽車領域具有良好的應用前景。