獨(dú)立can總線控制器的rtl級(jí)設(shè)計(jì)

1、工學(xué)碩士學(xué)位論文獨(dú)立 CAN 總線控制器的 RTL 級(jí)設(shè)計(jì)劉延科哈爾濱工業(yè)大學(xué)2006 年 6 月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào):TN47國(guó)際圖書分類號(hào):621.3.049.77工學(xué)碩士學(xué)位論文獨(dú)立 CAN 總線控制器的 RTL 級(jí)設(shè)計(jì)碩 士 研 究 生： 劉延科導(dǎo)師： 毛志剛教授申 請(qǐng) 學(xué) 位： 工學(xué)碩士學(xué) 科 、 專 業(yè)： 微電子學(xué)與固體電子學(xué)所 在 單 位： 微電子科學(xué)與技術(shù)系答 辯 日 期： 2006 年 6 月授予學(xué)位單位： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)Domestic Classified Index: TN47U.D.C.: 621.3.049.77Dissertation for the Master De

2、gree in EngineeringRTL DESIGN OF STAND-ALONECAN BUS CONTROLLERCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Specialty：Date of Oral Examination：University：Liu YankeProf. Mao ZhigangMaster of EngineeringMicroelectronics and Solid-stateElectronicsJune, 2006Harbin Institute of Technology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位

3、論文摘要控 制 器 局 域 網(wǎng) CAN(Controller Area Network) 是 由 ISO(InternationalOrganization for Standardization)定義的串行通信總線，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇。由于 CAN 總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、工業(yè)控制、航空電子和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。CAN 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分是總線控制器，因此設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制器對(duì)我國(guó)汽車工業(yè)及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文首先詳細(xì)分析了 CAN2.0 協(xié)議，并依據(jù)協(xié)議，完成了 CAN 總線控制器 SaCAN 的 RTL 級(jí)設(shè)計(jì)。SaCAN 采用自頂向下的設(shè)計(jì)流程

4、，將設(shè)計(jì)模塊劃分為 CAN 核心模塊、數(shù)據(jù)緩沖器和收發(fā)邏輯。CAN 核心模塊是實(shí)現(xiàn)CAN 協(xié)議的主要模塊，由內(nèi)部寄存器、接口管理邏輯、數(shù)據(jù)流處理器、驗(yàn)收濾波器和時(shí)序處理器五部分組成。數(shù)據(jù)緩沖器用于存儲(chǔ)收發(fā)的信息，包括發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。收發(fā)邏輯建立各種輸入輸出模式，包括發(fā)送控制邏輯和接收控制邏輯。本文繼續(xù)對(duì) SaCAN 進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程包括功能點(diǎn)驗(yàn)證和節(jié)點(diǎn)通信驗(yàn)證兩部分。功能點(diǎn)驗(yàn)證根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書中定義的功能逐一進(jìn)行驗(yàn)證，目的是為了保證設(shè)計(jì)的功能特性是正確的。節(jié)點(diǎn)通信驗(yàn)證模擬 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的通信過(guò)程，目的是為了保證 SaCAN 可以作為一個(gè)總線節(jié)點(diǎn)正常的工作。仿真結(jié)果表明 SaCAN

5、 功能符合設(shè)計(jì)要求和 CAN2.0 協(xié)議，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。SaCAN 同時(shí)支持收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的報(bào)文，具有多種工作模式。作為獨(dú)立的 CAN 總線控制器，SaCAN 既可以做為外掛式應(yīng)用，也可以與微控制器集成到一起作為嵌入式應(yīng)用。關(guān)鍵詞串行通信；控制器局域網(wǎng)；總線控制器-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractController Area Network protocol, which belong to Field Bus, is a serialcommunication bus defined by ISO. Because of its high real-time

6、 performance,the CAN serial bus system is used in a broad range of automobile industry,industry controlling, avionics and medical instrument. The key to the CAN bussystem is to design CAN bus controller chip. Consequently its meaningful todesign and produce the chip of independent intelletual proper

7、ty in thedevelopment of automobile industry and other correlative industry.First, CAN2.0 specification is analyzed detailed in the thesis. Then the RTLdesign process of CAN bus controller (SaCAN) is done according to thespecification. The SaCAN, devided into CAN core module, data buffer andtransceiv

8、er, is under Top-Down design flow. CAN core module is the mainmodule in implementing CAN specification. It consists of inner registers,interface management logic, data flow processor, acceptence filter and timingprocessor. Data buffer consists of transmitter buffer and receiver buffer. It isused to

9、store message. Transceiver consists of transmit control logic and receivecontrol logic. It builds different IO mode.Later, the thesis verifies the SaCAN. The verification process consists offunctional verification and verification of Communication between nodes. Thefunctional verification, which is

10、to ensure functional characters validity, verifiesthe functions defined in the specification. The verification of Communicationbetween nodes, which is to ensure SaCANs working as a bus node, simulates theprocess of CAN bus networks communication. The simulation results indicatethat SaCAN is function

11、al right, to CAN2.0 protocol and SaCAN specification,which achieves the object of design.SaCAN support simultaneously the message of both standard formate andextend formate. It has many working modes. As a stand-alone CAN buscontroller, SaCAN not only work as extrapolated application but also work,i

12、ntegrated with microcontroller, as embedded applications.Keywordsserial communication; controller area network; bus controller- II -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘要 . IAbstract . II第 1 章 緒論 . 11.1 國(guó)內(nèi)外研究狀況 . 11.1.1 CAN總線發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn) . 11.1.2 CAN總線控制器的研究狀況 . 61.2 研究的目的和意義 . 81.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容 .101.4 論文結(jié)構(gòu) .10第 2 章 CAN協(xié)議介紹 .

13、112.1 CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) .112.2 CAN協(xié)議分層結(jié)構(gòu) .112.3 CAN的報(bào)文傳輸 .142.3.1 數(shù)據(jù)幀 .142.3.2 遠(yuǎn)程幀 .162.3.3 錯(cuò)誤幀 .162.3.4 過(guò)載幀 .172.3.5 幀間空間 .172.4 報(bào)文濾波與校驗(yàn) .182.4.1 報(bào)文濾波 .182.4.2 報(bào)文校驗(yàn) .192.5 錯(cuò)誤處理 .192.5.1 錯(cuò)誤檢測(cè) .192.5.2 故障界定 .202.6 總線位時(shí)序 .212.7 總線訪問(wèn)時(shí)間與吞吐量 .222.8 本章小結(jié) .22第 3 章 CAN總線控制器的設(shè)計(jì) .233.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .23- III -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

14、3.2 CAN控制器核心模塊的設(shè)計(jì) .243.2.1 內(nèi)部寄存器 .243.2.2 接口管理邏輯 .283.2.3 數(shù)據(jù)流處理器 .283.2.4 驗(yàn)收濾波器 .363.2.5 時(shí)序處理器 .373.3 數(shù)據(jù)緩沖器和TX/RX控制邏輯的設(shè)計(jì) .433.3.1 數(shù)據(jù)緩沖器 .433.3.2 TX/RX控制邏輯 .463.4 本章小結(jié) .48第 4 章 CAN總線控制器的驗(yàn)證 . 494.1 驗(yàn)證策略 . 494.2 驗(yàn)證步驟 . 504.2.1 功能點(diǎn)驗(yàn)證的步驟 . 504.2.2 節(jié)點(diǎn)通信驗(yàn)證的步驟 . 524.3 驗(yàn)證過(guò)程 . 534.3.1 工作模式的驗(yàn)證 . 534.3.2 寄存器驗(yàn)證

15、. 544.3.3 通信功能的驗(yàn)證 . 544.3.4 錯(cuò)誤分析功能的驗(yàn)證 . 554.3.5 睡眠/喚醒功能的驗(yàn)證 . 594.3.6 輸入/輸出模式的驗(yàn)證 . 594.3.7 位時(shí)序與時(shí)鐘輸出的驗(yàn)證. 604.4 驗(yàn)證的實(shí)施與結(jié)果 . 604.5 本章小結(jié) .62結(jié)論 .63參考文獻(xiàn) .攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 .哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 .哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 .64676868致謝 .- IV -69哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章 緒論1.11.1.1國(guó)內(nèi)外研究狀況CAN 總線發(fā)展?fàn)顩r及特點(diǎn)1.1.1.1 CAN 總線的發(fā)展?fàn)顩rCAN(Control

16、ler Area Network) 是 由 ISO(International Organization forStandardization)定義的串行通信總線，它是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇。CAN 總線最早由 Bosch 公司于 1986 年 2 月在底特律的汽車工程協(xié)會(huì)上提出。1991 年 9 月 Philips 半導(dǎo)體制訂并發(fā)布了CAN 技術(shù)規(guī)范(VERSION 2.0)，其中給出了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種報(bào)文格式。在此基礎(chǔ)上，1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運(yùn)載工具數(shù)字信息交換高速通信控制器局域網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)，并在 1995

17、年進(jìn)行了 29 位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展1。從 2000 年開始，一個(gè)由數(shù)家公司組成的 ISO 任務(wù)組織定義了一種時(shí)間觸發(fā) CAN 報(bào)文傳輸?shù)膮f(xié)議。此協(xié)議定義為“時(shí)間觸發(fā)通訊的 CAN(TTCAN)”2CAN 總線是為汽車開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信總線，最初應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)。為了降低汽車自身重量、方便生產(chǎn)自動(dòng)化和車輛的維修維護(hù)，現(xiàn)代車型內(nèi)部的電子子系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)化的、串行通信方式，通過(guò)車身內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。CAN 總線就是應(yīng)用最為廣泛的這樣一種總線協(xié)議?，F(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN 已經(jīng)成為必須采用的裝置。目前，一些在世界上舉足輕重的汽車制造商都在積極地將 CAN 總線用在新型汽車上。包括奔馳、寶馬、大眾等一

18、些名牌汽車廠商都已開始采用 CAN 總線來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。CAN 總線己成為汽車總線的主流技術(shù)，從全球汽車電子發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，CAN 總線的崛起是必然的38。如圖 1-1 所示，為 Philips 半導(dǎo)體公司的汽車網(wǎng)絡(luò)解決方案，較粗線代表CAN 總線，它連接了傳動(dòng)裝置控制單元、燈控單元、門控單元、座椅控制單元以及儀表盤控制單元等等。較細(xì)線代表 LIN 總線，作為 CAN 網(wǎng)絡(luò)的輔助網(wǎng)絡(luò)，連接了車窗控制單元等低速設(shè)備?？梢哉f(shuō)明 CAN 總線完成的是車輛本身的控制，負(fù)責(zé)整個(gè)車輛的數(shù)據(jù)交互9-12。-1-。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖 1-1 Philips S

19、emiconductors 公司的汽車網(wǎng)絡(luò)解決方案Figure 1-1 Philips Semiconductors automatile network solution由于 CAN 總線在傳輸速率、傳輸實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性方面的優(yōu)越特性，它的應(yīng)用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向工業(yè)控制、航空、船舶和醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展1314。CAN 的發(fā)展歷史如表 1-1 所示。表 1-1 CAN 歷史事件一覽表1518Table 1-1 CAN history events時(shí)間1983198619871991199119921992199319941994199519952000事件Bosch 公司計(jì)劃

20、發(fā)展一種串行總線用于客車系統(tǒng)Bosch 公司正式公布了 CAN 總線的協(xié)議Intel 和 Philips Semiconductors 率先推出了 CAN 芯片Philips 半導(dǎo)體公司的 CAN2.0 規(guī)范發(fā)表瑞士工程辦公室組織制定了 CAN 的高層協(xié)議“CAN Kingdom”CiA(CAN in Automation)用戶集團(tuán)成立CiA 制定了應(yīng)用層協(xié)議 CAL(CAN Application Layer)CAN 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898 發(fā)布CiA 開始每年召開一次國(guó)際 CAN 會(huì)議(iCC)Allen-Bradley 公司公布了 CAN 高層協(xié)議“DeviceNet”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) I

21、SO11898 進(jìn)行了 29 位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展CiA 發(fā)表了 CAN 高層協(xié)議“CANopen”TTCAN (Time-triggered communication protocol for CAN)誕生-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文1.1.1.2 CAN 總線的技術(shù)特點(diǎn)（1）CAN 總線數(shù)值CAN 中的總線數(shù)值為兩種互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一： “顯性 ”或 “隱性 ”。 “顯性”(Dominant)數(shù)值表示邏輯“0”，而“隱性”(Recessive)表示邏輯“l(fā)”?！帮@性”和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將為“顯性”。在“隱性”狀態(tài)下，CAN-H 和CAN-L 被固定于平均電壓電平，差分電

22、壓近似為 0。在總線空閑或“隱性”位期間，發(fā)送“隱性”狀態(tài)?！帮@性”狀態(tài)以大于最小閾值的差分電壓表示。由于 CAN總線中傳送的是差分電壓信號(hào)，它能夠有效避免或減少各種電磁噪聲帶來(lái)的影響。因?yàn)?CAN 總線的雙線受到干擾是一致的，差分信號(hào)仍保持不變1920。CAN 總線的數(shù)值如圖 1-2 所示。圖1-2 CAN總線數(shù)值示意圖Figure 1-2 CAN bus numerial value（2）非破壞性的總線仲裁CAN 采用非破壞性總線裁決技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突裁決時(shí)間；最重要的是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。CAN 協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對(duì)通訊數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)中

23、的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，使總線上傳輸?shù)男畔⒖偭繙p少。CAN 總線的仲裁與以太網(wǎng)的 CSMA/CD 方案相似21?？偩€空閑是呈現(xiàn)隱性電平。這時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送一個(gè)顯性電平作為一幀的開始。如果同時(shí)有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，即產(chǎn)生總線競(jìng)爭(zhēng)。CAN 總線解決競(jìng)爭(zhēng)的方法是對(duì)標(biāo)識(shí)符按位進(jìn)行仲裁。各發(fā)送節(jié)點(diǎn)一面向總線發(fā)送電平，一面與回收總線-3-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文電平進(jìn)行比較，電平相同繼續(xù)發(fā)送下一位，電平不同則不再向下發(fā)送，退出總線競(jìng)爭(zhēng)。所謂的電平不一致是指在發(fā)送隱性電平時(shí)回收到顯性電平，它說(shuō)明總線上尚存在發(fā)送顯性電平的節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)在支配

24、著總線，而自己因發(fā)送隱性電平而退讓。同時(shí)發(fā)送顯性電平的節(jié)點(diǎn)可能不止一個(gè)，它們繼續(xù)向下按位仲裁。CAN 總線的仲裁過(guò)程如圖 1-3 所示22。圖1-3 總線仲裁Figure 1-3 Bus arbitration（3）多主與多節(jié)點(diǎn)接收CAN 采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。CAN 網(wǎng)絡(luò)具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播等幾種通訊方式2325。CAN 總線靠標(biāo)識(shí)符的優(yōu)先級(jí)爭(zhēng)用總線，取勝后繼續(xù)完成一幀的發(fā)送，因標(biāo)識(shí)符級(jí)報(bào)文中不包含與總線結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，如接收站地址等，所以總線中各個(gè)非發(fā)送點(diǎn)，包括欲發(fā)送而被迫退讓的節(jié)點(diǎn)都可接收。

25、各接收站根據(jù)標(biāo)識(shí)符的性質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，決定是否將報(bào)文拆幀取用。這樣做的好處有：節(jié)點(diǎn)數(shù)目理論上可以無(wú)限，實(shí)際上受限于物理實(shí)現(xiàn)的可能；各節(jié)點(diǎn)可以在線自由，上線與離線不影響總線的工作。對(duì)于實(shí)時(shí)性很高的系統(tǒng)這一點(diǎn)是寶貴的2628。以圖 1-4 為例?？偩€上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在監(jiān)聽發(fā)送站(節(jié)點(diǎn) 2)。在收到幀后所有的節(jié)點(diǎn)都根據(jù)自己的接收過(guò)濾寄存器進(jìn)行判斷是否接收該幀。-4-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文CAN 節(jié)點(diǎn) 1發(fā)送功能模塊CAN 節(jié)點(diǎn) 2發(fā)送功能模塊CAN 節(jié)點(diǎn) 3接收功能模塊CAN 節(jié)點(diǎn) 4接收功能模塊濾波發(fā)送濾波濾波濾波bus lines圖 1-4 廣播方式Figure 1-4 Broadcast pa

26、ttern（4）傳送速率與距離在總線范圍內(nèi)保證數(shù)據(jù)的一致性是 CAN 總線的一個(gè)重要特性，總線上每一幀報(bào)文對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)保證同時(shí)有效，即滿足時(shí)間上和空間上的一致性條件。CAN 總線的標(biāo)稱傳輸率為 1Mbps，距離不超過(guò) 40m。降低傳輸速率可以相應(yīng)的延長(zhǎng)總線距離2930。傳輸速率與總線長(zhǎng)度的關(guān)系如表 1-2 所示。表1-2 CAN節(jié)點(diǎn)之間的最大距離Table 1-2 The longest distance between CAN node位速率1Mbps500kbps250 kbps125 kbps100 kbps50 kbps20 kbps10 kbps5 kbps最大總線長(zhǎng)度40m130m

27、270m530m620m1.3km3.3km6.7km10km注：適用 Philips SJAI000 CAN 控制器，晶振頻率為 16MHz-5-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文（5）可靠性CAN 信息幀采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。CAN 總線規(guī)范中采用了多種檢錯(cuò)機(jī)制盡力提高數(shù)據(jù)在高噪聲環(huán)境下的安全性，包括發(fā)送電平和回收電平相校驗(yàn)，CRC 校驗(yàn)，位填充校驗(yàn)，報(bào)文格式校驗(yàn)和發(fā)端報(bào)文響應(yīng)校驗(yàn)。通過(guò)這些校驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)中的全局性錯(cuò)誤、發(fā)送站的局部性錯(cuò)誤和報(bào)文傳輸中 5 個(gè)以下的隨機(jī)分布錯(cuò)誤和小于 15 個(gè)的突發(fā)錯(cuò)誤。CAN 的剩余出錯(cuò)概率為傳輸率的 4.

28、7*10-113134。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器大于 255，則監(jiān)控器要求物理層置節(jié)點(diǎn)為“脫離總線”狀態(tài)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。1.1.2CAN 總線控制器的研究狀況當(dāng) CAN 總線協(xié)議的內(nèi)容基本確定之后，Intel 在 1987 年交付了首枚 CAN控制器芯片 82526，這是 CAN 協(xié)議的第一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)。隨后 Philips 半導(dǎo)體也推出了其 CAN 控制器 82C200。隨著 CAN 技術(shù)的成熟和在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，各大芯片供應(yīng)商紛紛支持 CAN 協(xié)議。表 1-3 列出常見(jiàn)的 CAN 器件。表 1-3 常見(jiàn)的 CAN 器件Table 1-3 Familiar CAN devices制造商I

29、ntelPhilipsMotorolaSimensNEC產(chǎn)品型號(hào)825268252787C196CA87C196CBP82C200SJAl000P8xC592P8xCE598TOUCANMSCANMCAN81C90/91/92SABC167CPD72005功能特點(diǎn)CAN 控制器，2.0A，BasicCANCAN 控制器，2.0B，F(xiàn)ulICAN8 位 CPU+82527+10 位 A/D+I/O87C196CA 的高性能版本CAN 控制器，2.0A，BasicCANCAN 控制器，2.0B8051CPU+CAN 控制器+A/D+PWM，2.0A8051CPU+CAN 控制器+A/D+PWM，2

30、.0A 電磁兼容683XXX，帶微控制器，2.0B，F(xiàn)uIICAN68HC08 系列 AZO 和 AZ32，2.0B，BasicCAN68HC05x4/xl6CPU+CAN 控制器，2.0ACAN 控制器，2.0A微控制器+CAN 控制器，2.0BCAN 控制器，2.0B，F(xiàn)ullCAN由于國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)剛剛起步，同時(shí)汽車電子市場(chǎng)還沒(méi)有形成。因而國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)汽車電子的關(guān)注也相對(duì)較少。對(duì) CAN 總線芯片的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)有關(guān) CAN 的應(yīng)用基本都是采用國(guó)外的芯片，而沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)-6-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文權(quán)的 CAN 控制器硬件實(shí)現(xiàn)3536。在網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層

31、和物理層是保證通信質(zhì)量至關(guān)重要、不可缺少的部分，也是協(xié)議中最復(fù)雜的部分。CAN 控制器就是扮演這個(gè)角色，對(duì)外它提供了與微控制器的物理線路接口。通過(guò)對(duì)它的編程，微控制器可以設(shè)計(jì)它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，把應(yīng)用層建立在它的基礎(chǔ)之上。CAN 芯片按結(jié)構(gòu)形式可分為嵌入式、外掛式和單片式三種。嵌入式指包含 CAN 控制器及微處理器的芯片，比如 Intel 的 87C196CA，這種結(jié)構(gòu)使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化和緊湊，使得控制節(jié)點(diǎn)模塊具有更小的體積，可以有效的降低成本，節(jié)省空間，如圖 1-5 所示。微控制器讀寫CAN 收發(fā)器 CAN_H上層過(guò)濾高層協(xié)議應(yīng)用協(xié)議控制數(shù)據(jù)緩存串行接口數(shù)據(jù)過(guò)濾控制收發(fā)信號(hào)錯(cuò)誤控制C

32、AN_L圖 1-5 嵌入式 CAN 芯片節(jié)點(diǎn)模型示意圖Figure 1-5 Embedded CAN chip node module單片式就是一個(gè)能夠在 CAN 網(wǎng)絡(luò)里充當(dāng)一個(gè)輸入輸出網(wǎng)關(guān)的單芯片，比如 Philips 的 82C150。它能把報(bào)文轉(zhuǎn)化為實(shí)際的數(shù)字 IO 信號(hào)，也能讀 IO 引腳把數(shù)據(jù)當(dāng)作報(bào)文傳輸，它還能集成 A/D 轉(zhuǎn)換器來(lái)生成報(bào)文，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，如圖 1-6 所示微控制器CAN_H上層過(guò)濾高層協(xié)議應(yīng)用協(xié)議控制數(shù)據(jù)緩存數(shù)據(jù)過(guò)濾收發(fā)信號(hào)錯(cuò)誤控制CAN_L圖 1-6 單片式 CAN 芯片節(jié)點(diǎn)模型示意圖Figure 1-6 Monolithic CAN chip node mo

33、dule外掛式只包含 CAN 控制器的芯片，比如 Philips 的 SJA1000，它可以與多-7-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文種類型的單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)的各類標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行接口組合，使用上更為靈活，軟件的重用性更好，如圖 1-7 所示。CAN 控制器微控制器上層過(guò)濾高層協(xié)議應(yīng)用數(shù)據(jù)協(xié)議控制數(shù)據(jù)緩存串行接口錯(cuò)誤控制CPU 接口讀寫CAN 收發(fā)器 CAN_H收發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)過(guò)濾控制控制CAN_L圖 1-7 獨(dú)立式 CAN 芯片節(jié)點(diǎn)模型示意圖Figure 1-7 Stand-alone CAN chip node module1.2研究的目的和意義近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，中國(guó)國(guó)產(chǎn)汽車產(chǎn)量正以每

34、年約 25%的速度遞增。以目前的情況來(lái)看，平均每輛汽車使用 CAN 總線節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)汽車檔次的不同而不同，大致在 20-40 之間。由此可見(jiàn)，中國(guó)汽車行業(yè)對(duì) CAN 總線套片的消費(fèi)能力在 12,400 萬(wàn)套/年以上，并且隨汽車的年產(chǎn)量增加而逐步增長(zhǎng)。與此同時(shí)，中國(guó)與汽車相關(guān)的半導(dǎo)體消費(fèi)預(yù)計(jì)將以每年 28%的速度遞增。汽車芯片市場(chǎng)到 2007 年將增長(zhǎng)到 14.5 億美元。中國(guó)汽車芯片市場(chǎng)預(yù)計(jì)占全球芯片消費(fèi)量的 10%3739。然而由于我國(guó)的汽車行業(yè)并沒(méi)有自己的核心技術(shù)，汽車電子的技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比，落后大約 10 年40。同時(shí)汽車電子市場(chǎng)還沒(méi)有形成，因而國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)汽車電子的關(guān)注也

35、相對(duì)較少，對(duì) CAN 芯片的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)報(bào)道。隨著 CAN 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，CAN 相關(guān)部件的研究也越來(lái)越受到各個(gè)方面的關(guān)注和重視。總線控制器作為 CAN 網(wǎng)絡(luò)的核心部件，開發(fā)具備自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，擺脫國(guó)外大公司對(duì) CAN 總線芯片領(lǐng)域的壟斷，能夠促進(jìn)我國(guó)汽車工業(yè)及其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有益于 CAN 總線技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和推廣，具有較大的理論和實(shí)際意義。-8-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文本課題預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)是完成結(jié)構(gòu)合理、功能全面的獨(dú)立 CAN 總線控制器 SaCAN 的 RTL 級(jí)設(shè)計(jì)。SaCAN 主要有以下特性：1) 同時(shí)支持 CAN 2.0A 和 2.0B 規(guī)范，支持 11 位和

36、 29 位報(bào)文標(biāo)識(shí)符。2) 通信位速率可達(dá) 1Mbps。3) 可與不同的微處理器接口。4) 具有僅聽模式和自測(cè)試模式，可單次發(fā)送。5) 具有基本模式和擴(kuò)展模式。6) 可屏蔽的中斷源。7) 可編程的輸出驅(qū)動(dòng)器配置。8) 能夠接收自身報(bào)文(自接收請(qǐng)求)。9) 多種濾波模式。10) 兩個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)。11) 除 13 個(gè)字節(jié)的接收緩沖器，另有擴(kuò)展的 64 字節(jié)接收緩沖器。12) 自動(dòng)位速率檢測(cè)。13) 仲裁丟失捕捉。14) 可訪問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤報(bào)警界限。SaCAN總線控制器作為獨(dú)立應(yīng)用在CAN節(jié)點(diǎn)中的位置如圖1-8所示。傳感器執(zhí)行元件微控制器總線控制器收發(fā)器傳感器執(zhí)行元件微控制器總線控制器收發(fā)器CAN 總線圖1-8 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Figure 1-8 CAN network nodeSaCAN提供與微控制器的接口，在與CAN收發(fā)器相連接的一側(cè)提供多種數(shù)出信號(hào)，可以連接各種集成或者分立的CAN收發(fā)器。收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的是CAN網(wǎng)絡(luò)-9-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文的物理層，它將來(lái)自總線控制器的TTL電平轉(zhuǎn)換成符合IEEE11898電氣標(biāo)準(zhǔn)的差分電平在CAN總線上傳送41。SaCAN實(shí)現(xiàn)了CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和部分物理層協(xié)議。應(yīng)用層由軟件編程實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層采用何種協(xié)議根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合可自行決定。另外，S