CAN總線在石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、CAN總線在石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用劉杰 1 蔣幽君2（1.貴州航天凱山石油儀器有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000 2. 河北華油一機(jī)抽油機(jī)有限公司，河北 青縣 062650）摘要：基于DSP + FPGA結(jié)構(gòu)的石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了使數(shù)據(jù)能夠在整個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、有效、快速、穩(wěn)定的傳輸，提出了一種使用FPGA作為CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的核心處理器的設(shè)計(jì)方法。CAN控制器采用具有SPI接口的MCP2515，利用FPGA實(shí)現(xiàn)MCP2515的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)了DSP處理器的CAN總線擴(kuò)展應(yīng)用。該方法由于把CAN節(jié)點(diǎn)控制的大量的工作交給FPGA實(shí)現(xiàn)，DSP

2、只需要對(duì)FPGA中CAN數(shù)據(jù)接收FIFO和CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)操作，即可完成CAN總線的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，大大減輕了DSP的數(shù)據(jù)處理壓力。試驗(yàn)測(cè)試及產(chǎn)品應(yīng)用表明，本設(shè)計(jì)有效、穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展性好，易于修改和移植，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞： CAN總線；MCP2515；FPGA；DSP中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： Application of CAN bus in Petroleum Instrument integrated navigation systemLiu Jie1，Jiang Youjun2(1. Guizhou Aerospace Kai Shan Petroleum

3、Instrument Co., Ltd. Guiyang 550000, China 2. Hebei Huayouyiji pumping machine Co. Ltd. Qingxian 062650, China )Abstract： In order to make the data to be coordinated, efficient, fast and stable in the whole CAN bus network, a design method of the core processor in the CAN bus node structure is propo

4、sed, which uses FPGA as the core processor in the design of CAN bus system in petroleum equipment integrated navigation system based on DSP + FPGA structure. Using the SPI interface with the MCP2515 as the CAN controller, and using FPGA to achieve the MCP2515 initialization, data transmission and re

5、ception, DSP processor CAN bus expansion is implemented. This method due to FPGA to control the amount of CAN node work, DSP only needs to read CAN data receive FIFO and write CAN data transmission FIFO, which can complete the CAN bus data read and write operations, greatly reducing the DSP data pro

6、cessing pressure. The test and product application show that the design is effective, stable, reliable, scalable, easy to modify and transplant, and has strong engineering and practical value.Key words：CAN bus; MCP2515; FPGA; DSP50 引言作者簡(jiǎn)介：劉杰（1984-），女，山東省單縣人，碩士研究生，工程師，主要從事電路、軟件方向的研究。作者簡(jiǎn)介：劉杰（1984-），女，

7、山東省單縣人，碩士研究生，工程師，主要從事電路、軟件方向的研究。CAN(controller area network，控制器局域網(wǎng))總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性、及獨(dú)特的設(shè)計(jì)和適宜的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領(lǐng)域，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于CAN總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，它也廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等領(lǐng)域。本文就是基于DSP + FPGA結(jié)構(gòu)的石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種使用FPGA作為CAN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的核心處理器的設(shè)計(jì)方法。其中DSP芯片采用TI公司的TMS32

8、0C6713B，F(xiàn)PGA芯片采用ACTEL公司的A3P1000，CAN控制器采用具有SPI接口的MCP2515，利用FPGA實(shí)現(xiàn)MCP2515的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)了石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中DSP處理器的CAN總線擴(kuò)展應(yīng)用。該方法由于把CAN節(jié)點(diǎn)控制的大量的工作交給FPGA實(shí)現(xiàn)，DSP只需要對(duì)FPGA中CAN數(shù)據(jù)接收FIFO和CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)操作，即可完成CAN總線的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，大大減輕了DSP的數(shù)據(jù)處理壓力。1 CAN總線概述CAN總線是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范已被ISO定為國(guó)際

9、標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。其模型接口只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸為雙絞線，通訊距離40m內(nèi)，通訊速率最高為Mbit/s，最多可掛設(shè)備為110個(gè)。CAN信息幀傳輸可采用標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀及遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，每幀數(shù)據(jù)都包含有CRC校驗(yàn)及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低，總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可自動(dòng)切斷與總線的通訊聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響，因此，CAN總線在抗干擾、錯(cuò)誤檢測(cè)能力等方面性能超過(guò)其它總線?？傊?，CAN總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2 CAN

10、總線總體設(shè)計(jì)石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中CAN總線網(wǎng)絡(luò)底層傳輸協(xié)議采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，所有節(jié)點(diǎn)以500Kbit/s總線位速率進(jìn)行設(shè)置，信息幀采用CAN2.0B規(guī)范的29位標(biāo)識(shí)符（仲裁域）擴(kuò)展幀格式，數(shù)據(jù)域規(guī)定為8字節(jié)，幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。SOF仲裁域控制域數(shù)據(jù)域CRC域ACK域結(jié)束圖1 CAN的幀結(jié)構(gòu)其中，29位標(biāo)識(shí)符（仲裁域）編碼定義見(jiàn)圖2。ID28ID26ID25ID23ID22ID19ID18ID17ID10ID9ID2ID1ID0優(yōu)先級(jí)信息類(lèi)型保留位連續(xù)包標(biāo)志發(fā)送源地址發(fā)送目的地址應(yīng)答位保留位圖2 標(biāo)識(shí)符編碼定義在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，有多個(gè)節(jié)點(diǎn)與石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行通訊交互，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)

11、地址。節(jié)點(diǎn)與石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)通訊的基本工作流程見(jiàn)圖3。在工作期間，部分節(jié)點(diǎn)向石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)周期性發(fā)送初始對(duì)準(zhǔn)信息、二次對(duì)準(zhǔn)信息、產(chǎn)品運(yùn)行基本狀態(tài)信息等。而且石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)按要求向多個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)及信息，如航向角、俯仰角、橫滾角、航向角速度、俯仰角速度、橫滾角速度、經(jīng)緯度、航程等導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)。因此，石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中CAN總線特點(diǎn)有：多個(gè)節(jié)點(diǎn)交互，數(shù)據(jù)量大；實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)；工作時(shí)間長(zhǎng)；系統(tǒng)可靠性要求高等多方面。圖3 CAN通訊基本工作流程本文CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用Microchip公司的MCP2515、TJA1050作為CAN總線控制器和收發(fā)器，使用FPGA作為C

12、AN總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的核心處理器，利用FPGA實(shí)現(xiàn)MCP2515的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。CAN總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖見(jiàn)圖4。圖4 CAN總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖3 CAN總線硬件接口設(shè)計(jì)3.1 MCP2515應(yīng)用MCP2515完全符合CAN總線的2.0B技術(shù)規(guī)范，并帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。該器件能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀以及遠(yuǎn)程幀，帶有2個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和6個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器，可以過(guò)濾掉不要的報(bào)文，減少了主控開(kāi)銷(xiāo)。與傳統(tǒng)的控制器比較，MCP2515具有靈活的中斷能力、幀屏蔽和過(guò)濾、幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定、高數(shù)據(jù)吞吐率、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，所以在石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)中采用它作為CAN總線控制器。3.2 FPG

13、A與MCP2515接口設(shè)計(jì)FPGA與MCP2515的接口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4所示，F(xiàn)PGA的I/O管腳與MCP2515管腳相連。其中MCP2515的復(fù)位管腳RST、片選管腳CS直接由FPGA的I/O管腳控制。MCP2515的CLK信號(hào)為CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同步時(shí)鐘信號(hào)，由FPGA內(nèi)部分頻提供8MHz時(shí)鐘信號(hào)。MCP2515的SCK信號(hào)作為SPI接口同步時(shí)鐘信號(hào)，由FPGA內(nèi)部分頻產(chǎn)生1MHz時(shí)鐘信號(hào)，在SCK時(shí)鐘上升沿時(shí)，命令和數(shù)據(jù)通過(guò)SI管腳送入MCP2515，在SCK時(shí)鐘下降沿時(shí)通過(guò)SO管腳把數(shù)據(jù)從MCP2515中讀出。FPGA通過(guò)SI信號(hào)線讀取MCP2515接收緩沖器里的數(shù)據(jù)，通過(guò)SO信號(hào)線把

14、待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入MCP2515的發(fā)送緩沖器，然后再調(diào)用發(fā)送請(qǐng)求命令，MCP2515即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。FPGA通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI讀寫(xiě)指令，對(duì)MCP2515寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成系統(tǒng)CAN總線的收發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)CAN總線的通訊。MCP2515的SPI指令集有復(fù)位指令、讀指令、讀RX緩沖器指令、寫(xiě)指令、裝載TX緩沖器指令、請(qǐng)求發(fā)送指令、讀狀態(tài)指令、RX狀態(tài)指令和位修改指令等9條指令。3.3 MCP2515與TAJ1050接口設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用MCP2515芯片作為CAN控制器，TJAl050芯片作為總線收發(fā)器。CAN總線接口硬件電路圖見(jiàn)圖5。圖5 CAN總線接口硬件電路圖TJAl050芯片作

15、為CAN收發(fā)器，它是CAN控制器和物理總線之間的接口。它的功能如下：將CAN控制器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)送到總線上；將CAN總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN控制器能夠識(shí)別的電平；增強(qiáng)總線的驅(qū)動(dòng)能力，從而增加CAN總線的通訊距離并使得在一條總線上可以掛載更多的節(jié)點(diǎn)。在MCP2515和TAJ1050之間增加ISO7221高速數(shù)字隔離器，使CAN節(jié)點(diǎn)之間在電氣上完全隔離和獨(dú)立，采用兩個(gè)獨(dú)立電源供電，進(jìn)一步使其電源完全隔離。在CAN總線的兩端各增加一個(gè)120歐姆的電阻，能有效提高數(shù)據(jù)通訊抗干擾性和可靠性。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)FPGA作為CAN總線節(jié)點(diǎn)的控制器，主要有兩方面功能。一方面檢測(cè)DS

16、P的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，對(duì)DSP發(fā)出的指令進(jìn)行響應(yīng)。另一方面通過(guò)SPI指令對(duì)MCP2515進(jìn)行控制，從而控制CAN總線的工作方式和工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。本文主要介紹FPGA對(duì)MCP2515的程序設(shè)計(jì)，包括對(duì)MCP2515寄存器的讀寫(xiě)操作、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。在FPGA軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，利用Verilog HDL語(yǔ)言編程1，采用狀態(tài)機(jī)完成時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，分別包括初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)、寄存器讀寫(xiě)狀態(tài)、數(shù)據(jù)接收狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。4.1.1 寄存器的讀寫(xiě)操作MCP2515 寄存器讀寫(xiě)指令分別見(jiàn)圖6、圖72。FPGA程序中生成兩個(gè)512×8位的FIFO3，分別為CAN數(shù)據(jù)接收

17、FIFO和CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO。圖6、圖7中CS、SCK、SI管腳信號(hào)由FPGA程序產(chǎn)生，SO管腳信號(hào)由MCP2515產(chǎn)生，由FPGA檢測(cè)。當(dāng)FPGA檢測(cè)到DSP的讀MCP2515寄存器指令時(shí)，首先把讀指令字節(jié)（03h）、寄存器地址字節(jié)（XXh），按BIT位從高位到低位的順序在SI管腳上依次發(fā)出，然后檢測(cè)SO管腳電平，讀出SO管腳輸出的8個(gè)BIT位，組成一個(gè)字節(jié)，存入FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO。當(dāng)FPGA檢測(cè)到DSP的寫(xiě)MCP2515寄存器指令時(shí)，首先把DSP發(fā)出的寫(xiě)寄存器指令字節(jié)(02h)、寄存器地址字節(jié)(XXh)、寄存器數(shù)據(jù)字節(jié)(XXh)存入FPGA的CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO，然后把

18、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO中的字節(jié)數(shù)據(jù)，按BIT位從高位到低位的順序在SI管腳上依次發(fā)出。圖6 MCP2515 寄存器讀指令圖7 MCP2515 寄存器寫(xiě)指令4.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送當(dāng)FPGA檢測(cè)到DSP的CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先FPGA把DSP發(fā)出的寫(xiě)發(fā)送緩沖器指令字節(jié)（02h）、發(fā)送緩沖器地址字節(jié)(36h)、發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)字節(jié)(XXh)，請(qǐng)求發(fā)送報(bào)文字節(jié)(81h)寫(xiě)入FPGA的CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO中，然后把CAN數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO中的字節(jié)數(shù)據(jù)，按BIT位從高位到低位的順序在SI管腳上依次發(fā)出。4.1.3 數(shù)據(jù)接收FPGA接收MCP2515接收緩沖器中的數(shù)據(jù)可采用查詢(xún)方式或中斷方式。在某一段時(shí)間內(nèi)

19、，CAN總線并不是總在活動(dòng)，為了提高效率，文中采用中斷方式。在初始化程序中必須使能接收中斷，設(shè)置CANINTE-中斷使能寄存器（地址：2Bh）的值為03h，接收緩沖器0滿(mǎn)中斷使能以及接收緩沖器1滿(mǎn)中斷使能。當(dāng)FPGA收到MCP2515的INT信號(hào)時(shí)，讀取CANINTF-中斷標(biāo)志寄存器（地址：2Ch）。判斷中斷標(biāo)志寄存器的最后兩位數(shù)據(jù)，如果為01h,則表示接收緩沖器0有待處理的中斷，那么讀取RXB0SIDL-接收緩沖器0標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符低位（地址：62h），讀取RXB0EID8-接收緩沖器0擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符高位(地址：63h),分別存入FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO中；然后讀取RxB0DM-接收緩沖器0的

20、8個(gè)數(shù)據(jù)字段字節(jié)（地址:66h6Dh），分別存入FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO中。判斷中斷標(biāo)志寄存器的最后兩位數(shù)據(jù)，如果為10h,則表示接收緩沖器1有待處理的中斷，那么讀取RXB1SIDL-接收緩沖器1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符低位（地址：72h），讀取RXB1EID8-接收緩沖器1擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符高位(地址：73h),分別存入FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO中；然后讀取RxB1DM-接收緩沖器1的8個(gè)數(shù)據(jù)字段字節(jié)（地址:76h7Dh），分別存入FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO中。最后清空中斷標(biāo)志寄存器，等待下一個(gè)INT中斷并進(jìn)行處理。FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO等待DSP進(jìn)行查詢(xún)接收。其數(shù)據(jù)流程圖見(jiàn)圖8。圖

21、8 FPGA數(shù)據(jù)接收流程圖4.2 DSP軟件設(shè)計(jì)DSP芯片采用TI公司的TMS320C6713B4，DSP軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)5。DSP對(duì)MCP2515初始化配置以及CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送，只需要通過(guò)DSP的EMIF接口、DSP和FPGA相連的數(shù)據(jù)總線、地址總線、FPGA片選線，按DPS和FPGA約定的協(xié)議，把數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA即可，由FPGA內(nèi)部時(shí)序邏輯電路完成針對(duì)MCP2515的后續(xù)工作。DSP接收CAN數(shù)據(jù)時(shí)，需要查詢(xún)FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO深度，讀取CAN數(shù)據(jù)接收FIFO中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析、應(yīng)答。4.2.1 MCP2515初始化配置石油儀器組合導(dǎo)航系統(tǒng)上電后，要對(duì)MCP2515進(jìn)行

22、復(fù)位操作，以便MCP2515的邏輯和寄存器能夠恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)；然后對(duì)MCP2515進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置通信速率及總線信號(hào)采樣的時(shí)間片，設(shè)置發(fā)送緩沖器、設(shè)置接收緩沖器、設(shè)置屏蔽濾波器和驗(yàn)收濾波器以及設(shè)置中斷模式等。4.2.2 數(shù)據(jù)的接收、解析、應(yīng)答或發(fā)送DSP軟件在中斷處理函數(shù)中，首先查詢(xún)FPGA的CAN數(shù)據(jù)接收FIFO深度，如果FIFO深度大于10個(gè)字節(jié)，然后讀取10個(gè)字節(jié)進(jìn)行解析，前2個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)來(lái)源地址，后8個(gè)字節(jié)為CAN報(bào)文數(shù)據(jù)域字節(jié)，根據(jù)CAN通訊協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行解析、應(yīng)答或發(fā)送。5試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)品測(cè)試臺(tái)硬件系統(tǒng)安裝周立功CAN板塊，軟件系統(tǒng)安裝ZLGCANTest-PCI