一种基于FPGA的ISA总线转CAN总线设计与实现

【摘 要】 本设计采用FPGA芯片及其技术实现了智能CAN通讯卡的设计和开发。本设计主要包括：ISA总线、主控制器模块、缓冲区模块、CAN协议控制器模块、以及CAN总线驱动器模块。本设计已在实际工程中得到运用。实践结果表明数据传输稳定，可靠性高。

【关键词】 CAN总线 FPGA VHDL 循环存储

ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）总线是Intel/IEEE/和EISA在62线PC总线基础上经过扩展36根线而开发出的一种系统总线。ISA具有16位数据线，最高工作频率为8MHz，数据传输速率达16Mb/s。24根地址线，可寻址16Mb。使用ISA总线的外部设备不需要具有非常快的吞吐速率。

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，是一种全数字化、多主和双向的现场总线。CAN总线数据通信具有很高的可靠性、实时性和灵活性，越来越广泛地应用于各种工业现场。

随着计算机应用技术的迅速发展，对高性能/高效率板卡的需求将会越来越大，微机中低性能的ISA总线必将被淘汰。但是在现实应用中仍有数量众多的支持ISA总线的板卡在使用。因此，CAN到ISA总线桥在一定时期内将扮演一种特殊的角色。

1 系统总体设计（图1）

2 工作原理

CAN模块共由四个部分组成：主控制器模块、缓冲区模块、CAN协议控制器模块、以及CAN总线驱动器。见图1。

2.1 主控制器

主控制器是整个模块的控制中心，通过访问CAN协议控制器来实现对CAN总线的访问；同时控制缓冲区，减少数据的丢失率、增加CPU的工作效率。

2.2 数据缓冲区

为了增加模块的数据吞吐量，减少数据丢失率，同时减少CPU的工作负担，在设计时增加了数据接收和发送缓冲器。该缓冲器应该同时满足CPU对其的读写，及CAN协议控制器对其的读写。

双口RAM有时会发生共享冲突问题。因此，将双口RAM作为缓冲区使用，利用FPGA控制程序，它不仅保证了数据的先后次序，也保证了数据流通的速度。

2.3 CAN协议控制器

CAN协议控制器实现CAN协议的数据链路层和物理层功能，对外具有与主控制器和总线接收器的接口。通过对其编程，主控制器可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础之上。

2.4 CAN总线收发器

CAN控制器SJA1000并不能直接与总线连接，还要通过总线收发器才能接于总线上。CAN总线收发器提供CAN协议控制器与物理总线的接口，总线收发器的性能决定了总线接口、总线终端、总线长度和节点数，是影响整个总线网络通信性能的关键因素之一。

3 程序设计

程序可分为三个部分：（1）控制双口RAM。（2）控制SJA1000。（3）写SJA1000命令寄存器程序流程如图2所示。

由流程图可看出在发送CAN总线数据帧时，必须先从双口RAM中读出数据，所以需使双口RAM的片选信号、读信号有效：同时根据前两个字节中的信息获取数据帧信息；然后将读取的数据依次写入SJA1000发送缓冲区；最后写SJA1000命令寄存器，通知SJA1000可以发送CAN数据。

4 读写CAN数据

4.1 写CAN通道数据

如果模块未向CPU发中断以申明某路8KRAM已满，则CPU可以将数据写入该通道。每次最多只能写10个数据。CPU可以根据数据长度来写数据。当需要发送的数据写完后，CPU必须发写结束命令以终止写操作。这样可以节约CPU的操作时间。写数据过程为（以下以写第一通道为例）：（1）查询数据状态寄存器（基址+2），看1通道是否能写。（2）向通道1命令口（基址+00）写入写操作开始命令（0x01）。（3）向通道1数据口（基址+01）连续写入1帧的数据（小于等于10字节）。（4）向通道1命令口（基址+00）写入写操作结束命令（0x00）。（5）其他通道的写操作与此类同。

4.2 读CAN通道数据

CPU可以采用扫描方式查询各个通道的状态，当某个通道内有数据时CPU可读取这些数据。CPU可以根据ID1和ID2的数据长度来读取数据。当读数据结束后，CPU必须发读结束命令以告诉CAN终止读操作。这样CPU可以尽早结束读操作，节约CPU的CAN操作时间。读数据过程为（以下以写第二通道为例）：（1）查询数据状态寄存器（基址+10），看2通道是否有数据，如果没有数据结束操作，如果有数据则向通道2命令口（基址+04），写入读操作开始命令（0x02）。（2）从通道2数据口（基址+05），连续的读出1帧的数据（小于等于10字节），读完指定长度的数据后，向通道2命令口（基址+04），写入读操作结束命令（0x00）。

参考文献

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[2]贾晓宇.基于ISA总线的嵌入式智能型张力控制系统[D].武汉理工大学，2002年.

[3]安磊，梁尚军，邴洋海.一种基于FPGA的ISA航空总线设计方法[J].飞机设计，2012（4）.