基于基于FPGA的的CAN总线通信节点设计总线通信节点设计
摘要： 以FPGA 代替传统的单片机和外围扩展芯片， 给出了CAN 总线通信节点的详细设计方案。其中以
SJA1000为CAN 总线控制器、FPGA 为主控制器， 设计实现通信节点的硬件接口电路。基于对CAN 总线控制
器的功能分析， 并应用Verilog语言进行软件设计， 从而实现CAN节点之间的通信功能。 0 引言 CAN
总线允许高达1M bit /s通讯速率， 支持多主通讯模式， 有高抗电磁干扰性而且能够检测出通信过程中产生的任
何错误， 已被广泛应用到各自动化控制系统中。在项目的特殊环境要求下， CAN总线通信要求使用FPGA作为
系统中的主控制器， 较之传统设计使用的单片机，
摘要： 以FPGA 代替传统的单片机和外围扩展芯片， 给出了CAN 总线通信节点的详细设计方案。其中以SJA1000为
CAN 总线控制器、FPGA 为主控制器， 设计实现通信节点的硬件接口电路。基于对CAN 总线控制器的功能分析， 并应用
Verilog语言进行软件设计， 从而实现CAN节点之间的通信功能。
0 引言引言
CAN 总线允许高达1M bit /s通讯速率， 支持多主通讯模式， 有高抗电磁干扰性而且能够检测出通信过程中产生的任何错
误， 已被广泛应用到各自动化控制系统中。在项目的特殊环境要求下， CAN总线通信要求使用FPGA作为系统中的主控制
器， 较之传统设计使用的单片机， FPGA能够在速度和体积上有更好的适应性。FPGA 一方面减少了电路板的复杂程度， 缩
短了实现周期； 另一方面， 其丰富的资源、超高的性能和灵活的可编程性， 提高了整个设备的可靠性， 大大增强了电路板设
计的灵活性和可扩展性。文中通过设计FPGA 的接口电路， 并利用Verilog语言来编程实现CAN节点之间的通信功能。
1 CAN 接口硬件设计接口硬件设计
1.1 CAN 节点的系统构成节点的系统构成
一般来说， 每个CAN 模块能够被分成3 个不同的功能块，其结构如图1所示。CAN总线收发器提供CAN协议控制器与物
理总线之间的接口， 控制从CAN 控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号。它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。CAN 控制器执行在CAN 规范里规定的完整的CAN 协议， 它通
常用于报文缓冲和验收滤波， 对外具有与主控制器和总线收发器的接口。主控制器负责执行应用的功能， 例如控制命令的发
送、读传感器和处理人机接口等。它通过对CAN 控制器进行编程， 来控制CAN 总线的工作方式和工作状态， 以及进行数据
的发送和接收。
图1 CAN 模块系统构成
1.2 接口电路设计接口电路设计
接口电路如图2所示。SJA1000的AD0~ AD7地址数据复用端口、ALE地址锁存端口、RD、WR、片选CS端口均通过转换
芯片与FPGA的I /O口相连。SJA1000 的中断输出信号INT连入FPGA, 使CAN通信可以采用中断或查询方式。RST 端口的电路
实现SJA1000的上电自动复位功能。MODE 模式选择端接+ 5 V, 设置SJA1000控制器为Intel模式。SJA1000 的时钟晶振采用
16MH z, 频率调整电容取15 pF. R16为终端电阻，设计中取120Ω。 CAN 驱动器PCA82C250 的RS脚为工作模式选择位， 接
地工作于高速模式， 接高工作于待机模式。系统通过电阻R14将芯片设定于斜率控制模式， 电阻值为47 kΩ , 这时CAN 总线
应工作于低速模式， 可提高CAN 总线抵抗射频干扰的能力。在这种情况下， 可直接使用非屏蔽双绞线作为总线。
设计中有2点需要特别注意： 点是FPGA 并没有与SJA1000直接相连。这是因为对于设计选取的FPGAXCV600, 其接口电
平不支持5 V TTL的I/O 标准， 如果与5 VI/O标准的SJA1000直接相连， 将可能导致FPGA 管脚电流过大， 造成器件锁死或者
烧毁。为此采用双向总线收发器74ALVC164245, 把SJA1000的5 V TTL电平信号AD0 ~ AD7、 、ALE 转换成3.3 V
I/O 标准信号， 连接到FPGA 的引脚上。74ALVC164245 有2个8位电平转换端口， 可独立操作。其中电平信号AD0~ AD7必
须按顺序连接在总线收发器的一个8位端口上， 不可以分开。第二点是： 在CAN 控制器与收发器之间不采用光电隔离。这是
因为增加光电隔离虽然能增强系统的抗干扰能力， 但也会增加CAN 总线有效回路信号的传输延迟时间， 导致通信速率或距离
减少。82C250等型号的CAN 收发器本身具备瞬间抗干扰、降低射频干扰（ RFI）以及实现热防护的能力， 它具有的电流限制
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