摘要：为实现CAN总线与计算机的通信，便于CAN总线系统调试，提出一种基于 FPGA 的CAN总线转换USB接口设计方案。利用USB总线与计算机通信，详细论述了FPGA对 SJA1000 与 CY7C68013A 的具体控制过程以及CAN总线的通信实现。这种方法数据传输速率高，设计灵活，可扩展成多路总线的通信接口。目前已成功应用于空间相机下位机系统的地面检测设备中。
CAN总线是现场总线的一种，因为其成本低、容错能力强、支持分布式控制、通信速率高等优点在汽车、工业控制、航天等领域得到广泛应用。但是计算机没有CAN总线接口，为了进行CAN总线的调试，必须具有专用的适配卡才能实现与计算机的通信。目前常用的CAN 转换器 是基于 单片机 设计的，一般只适用于单路CAN总线的数据转换，可扩展性差。
在小卫星相机下位机系统中使用了多种总线，如CAN总线与卫星管理计算机的通信；RS422(或 RS485 )总线与成像单元等下行单元的通信。在进行相机下位机系统地面调试时，可能需要多种总线转换器。采用FPGA将不同总线协议转换成USB2．0、 RS232 等可与计算机直接交换数据的协议，可增强设计的灵活性，降低设计的成本和复杂性，且可实现多路总线的数据通信接口。
这里以CAN总线通信接口为例，详细论述了基于FPGA的CAN总线转换USB接口的设计方案。
1 系统硬件组成
实现CAN总线与计算机双向通信接口的核心是FPGA。它首先接收来自CAN总线的数据，保存在FPGA内部设计的FIF0缓存中，经过内部数据格式的转换后，由USB控制器读取并上传给计算机。而总线数据注入过程的数据流向与之相反。FPCA选用 Xilinx 公司的Spartan3的 XC3S200 ，系统硬件结构如图1所示。
图1 硬件结构框图
1．1 USB接口 电路
USB是一种支持即插即用及热插拔的串行总线，它具有传输速率高、连接灵活、使用方便等优点。 CYPRESS 公司的 EZ-USB 芯片CY7C68013A支持USB2．0协议，通信可靠，传输速率可达480 Mb／s。CY7C68013A工作在SLAVE FIF0异步通信方式下，接口电路如图2所示。
图2 CY7C68013A接口电路
SLAVE FIFO异步写周期中，高电平需维持70ns，低电平需维持50ns，理论最高传输速率为8Mb／s，而CAN总线的最高传输速率为1Mb／s，符合通信要求。端口PA0～PA1用作USB控制器端向FPGA发送读写命令的控制线，由USB固件程序配合上位机端自定义请求代码产生PA端口的控制信号。另外使用了 EEPROM 芯片 24LC128 存放USB固件程序。
1．2 CAN总线接口电路
选用 Philips 公司的SJA1000作为CAN控制器，采用 PCA82C250 作为CAN收发器，并在CAN控制器与收发器之间使用 6N137 进行光电隔离，以增强抗干扰能力。将MODE引脚接高电平即SJA1000工作在 INTEL 模式，
引脚与复位芯片 MAX706T 的RESET引脚相连，进行全局复位。在FPGA与SJA1000连接时需要使用741V164245电平转换器完成CAN总线5 V TTL电平向3．3 V FPGA I／O电平的转换。另外，SJA1000的RX1引脚与PCA-82C 250的VREF引脚相连，使用输入比较器旁路功能，可减少内部延时，增加正常通信的总线长度。具体的接口电路如图3所示。
图3 SJA1000接口电路
2 FPGA逻辑控制程序
2．1 SJA1000逻辑控制
由于SJA1000地址线与数据总线复用，FPGA不仅仅要产生SJA1000读写控制引脚的信号逻辑，还需要模拟单片机等处理器产生对SJA1000的寻址信号，实际上是一个向SJA1000写地址的过程。根据SJA1000技术手册的时序要求，要完成对SJA1000内寄存器的正确读写，接口逻辑必须在地址锁存信号ALE为高电平时将SJA1000的寄存器地址当作数据写入，然后在ALE和片选信号
为低电平后使能SJA1000的读写控制信号(WR或RD)。SJA1000的逻辑控制采用状态机的方式完成，状态机流程图如图4所示。起始态为IDLE态，当接收到数据读写等命令时，进入ADDR-ESS态，向SJA1000写入相应寄存器的地址值。然后根据命令类型决定下一个态是写寄存器状态(WR1～WR3)还是读寄存器状态(RD1～RD4)。以写寄存器为例，在WR1态ALE、
等信号置为非有效态。将
置为有效状态；在WR2态ALE、
为非有效态．而将
信号置为有效态，在时钟的下降沿将数据写入寄存器。WR3状态保持
有效，WR信号变为无效，进入IDLE态，一次写周期完成。
图4 SJA1000逻辑控制状态机流程图
2．2 SJA1000读写数据流程控制
FPGA对SJA1000控制程序包括SJA1000初始化、SJA1000读数据、SJA1000写数据等部分。SJA1000的初始化是在复位模式下进行的，在复位模式下分别设置时钟分频器CDR、总线定时器(BTR0、BTR1)、输出控制寄存器(OCR)等重要寄存器。SJA1000通信波特率由总线定时器决定，需要与后端节点的波特率相同才能进行节点间的正常通信。FPGA上电后需要延时一段时间．等待SJA1000复位完成才能进行SJA1000初始化。初始化仿真波形如图5(a)所示。SJA1000内部有一个接收缓冲器和一个发送缓冲器。FPGA对SJA1000的读写操作，实际上对这两个缓冲器的读写控制。当FPGA接收CAN总线数据时首先读取SJA1000中断寄存器IR判断是否有接收中断。如果有接收中断到来则开始读取缓冲器内的8字节数据，然后释放接收缓冲器(写命令寄存器CMR)。使用Xilinx公司的Chipseope软件进行板上测试，测试数据为(E0，E1，……E7)，抓取到的波形如图5(b)所示。FPGA读写SJA1000的流程控制图如图6所示。
图5 SJA1000逻辑控制波形图
图6 SJA1000读写控制程序流程图
2．3 CY7C68013A通信控制程序
CY7C68013A提供一种量子FIFO的处理架构，使USB接口和应用环境直接共享内部含有的4 K FIF0空间。本文CY7C68013A的控制是以异步SLAVE FIFO方式实现的，FPGA对CY7C68013A的逻辑控制实际上是对CY7C68013A内部FIFO的异步读写控制。设置CY7C68013A端点2为批量输入端点(FIF0地址为00)，端点6为批量输出端点(FIF0地址为1O)。FPGA判断CY7C68013A的PA[1：0]端口电平，当PA[1：0]为01时，FPGA将接收到的CAN总线数据写入端点2对应的FIF0空间并上传给上位机，PA[1：0]为10时，FPGA读取端点6对应的FIFO内数据。FPGA对CY7C68013A的时序控制严格按照芯片手册完成。
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