以FPGA為核心控制單元的空間相機通信系統(tǒng)的設(shè)計詳解

在空間相機數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，為了滿足電路板體積重量以及可擴展性的要求，利用FPGA作為主控芯片，控制相機進行數(shù)據(jù)采集和傳輸。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA替代了傳統(tǒng)的單片機作為CAN總線的主控制器，并給出了詳細的硬件電路設(shè)計方法。在對CAN協(xié)議控制器SJA1000進行功能及時序分析后，利用硬件語言對其通信流程進行設(shè)計。實踐證明，在嚴(yán)格的時序邏輯下，F(xiàn)PGA能夠控制CAN總線穩(wěn)定正確地對相機數(shù)據(jù)進行收發(fā)。

CAN總線是由ISO定義的串行通信總線，主要用于各種過程檢測及控制。它是一種多主總線，具有高位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出傳輸中產(chǎn)生的任何錯誤。顯著的優(yōu)點使得CAN總線成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一 。

由于其優(yōu)良的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線已被廣泛地應(yīng)用于各種分布式控制系統(tǒng)中。特別是由于CAN總線具有抗干擾性強、高數(shù)據(jù)傳輸率、低成本等優(yōu)點，在小衛(wèi)星和微小衛(wèi)星中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)控制傳輸中也會應(yīng)用，如空間相機數(shù)據(jù)通信方面。

1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

一般來說，每個CAN模塊能夠被分成三個不同的功能塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN總線收發(fā)器提供CAN協(xié)議控制器與物理總線之間的接口，控制從CAN 控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號。它的性能決定了總線接口、總線終端、總線長度和節(jié)點數(shù)，是影響整個總線網(wǎng)絡(luò)通信性能的關(guān)鍵因素之一。CAN控制器執(zhí)行在CAN 規(guī)范里規(guī)定的CAN協(xié)議，它通常用于報文緩沖和驗收濾波，對外具有與主控制器和總線收發(fā)器的接口。FGPA主控制器負責(zé)執(zhí)行應(yīng)用的功能，例如對空間CCD相機控制命令的發(fā)送、讀取圖像數(shù)據(jù)等。它通過對CAN控制器的編程控制CAN總線的工作方式、工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

在本項目的特殊環(huán)境要求下，使用FPGA作為主控芯片，控制空間相機進行數(shù)據(jù)采集與傳輸，并通過CAN總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)。較之傳統(tǒng)設(shè)計使用的單片機，F(xiàn)PGA能夠在速度和體積上有更好的適應(yīng)性。FPGA一方面減少了電路板的復(fù)雜程度，縮短了實現(xiàn)周期，另一方面是FPGA具有豐富的資源、超高的性能和靈活的可編程性［3］，提高了整個設(shè)備的可靠性，大大增強了電路板設(shè)計的靈活性和可擴展性。

2 通信系統(tǒng)接口設(shè)計

電路設(shè)計如圖2所示。SJA1000的AD0~AD7地址數(shù)據(jù)復(fù)用端口、ALE地址鎖存端口、讀使能信號RD、寫使能信號WR、片選CS端口， 均通過雙向總線收發(fā)器74ALVC164245與FPGA的I/O口相連［4］。這是因為FPGA的3.3 V的LVTTL電平不支持SJA1000的5 V TTL電平，所以利用雙向總線收發(fā)器實現(xiàn)兩器件信號的電平轉(zhuǎn)換。SJA1000的中斷輸出信號INT連入FPGA，這樣CAN通信就可以采用中斷或查詢兩種方式。RST端口的電路實現(xiàn)SJA1000的上電自動復(fù)位功能。MODE模式選擇端接+5 V，設(shè)置SJA1000控制器為Intel模式。SJA1000的時鐘晶振采用16 MHz，頻率調(diào)整電容取15 pF。設(shè)計中CAN總線的終端電阻取120Ω［5］。CAN 驅(qū)動器PCA82C250的RS腳為工作模式選擇位，接地工作于高速模式，接高工作于待機模式。系統(tǒng)通過電阻R將芯片設(shè)定于斜率控制模式， 電阻值為47 kΩ，這時CAN總線應(yīng)工作于低速模式，可提高CAN總線抵抗射頻干擾的能力。在這種情況下，可直接使用非屏蔽雙絞線作為總線［6］。

在接口設(shè)計中，有幾點需要注意：（1）SJA1000的INT端口是開漏輸出，所以在使用時應(yīng)該加上拉電阻，不然電平一直為低，無法實現(xiàn)中斷方式。（2）電平信號AD0~AD7必須按順序連接在總線收發(fā)器74ALVC164245的一個8位端口上，不可分開。

3 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程設(shè)計

CAN總線通信模塊的控制主要包括三大部分：CAN總線節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。主流程如圖3所示。

CAN節(jié)點主程序主要包括：作為主控制器的FPGA的初始化、CAN控制器初始化、寄存器狀態(tài)查詢、接收發(fā)送報文以及數(shù)據(jù)處理。在此設(shè)計中，由于通信模塊對接收數(shù)據(jù)的實時性要求并不是很高，因此CAN總線的接收和發(fā)送采用查詢方式 。在整個流程實現(xiàn)中，主要是對CAN控制器SJA1000中的寄存器進行讀寫操作。

3.2 讀寫流程控制

SJA1000 的數(shù)據(jù)和地址信號為時分復(fù)用，而FPGA 中不存在地址的概念，因此在讀寫寄存器時，要把SJA1000 中的寄存器地址當(dāng)作數(shù)據(jù)寫入。所以在系統(tǒng)的頂層模塊設(shè)計中，將設(shè)計一個讀寫子模塊來專門產(chǎn)生對CAN寄存器進行讀寫控制的時序，而核心主模塊則只對通信流程進行描述。讀寫時序的狀態(tài)機流程圖如圖4所示。在IDLE狀態(tài)，對接口信號進行初始化，其中地址鎖存信號ALE為低電平、寫信號WR 為高電平、讀信號RD為高電平、片選信號CS 為高電平、地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線ADDR為高阻態(tài)、writeover和readover為低電平（writeover為高電平表示一個寫時序的完成， readover為高電平表示一個讀時序的完成） 。另外對于核心主模塊的控制信號start和iswr，當(dāng)start為低電平時繼續(xù)在IDLE狀態(tài)循環(huán)，反之則進入寫地址狀態(tài)Address0、Address1。然后根據(jù)iswr信號是高電平或低電平而進入寫數(shù)據(jù)進程或讀數(shù)據(jù)進程。讀寫數(shù)據(jù)過程均由兩個狀態(tài)完成，分別是RD0、RD1、WR0、WR1。當(dāng)一個完整的讀或?qū)懖僮魍瓿蓵r，進入IDLE狀態(tài)。每一個狀態(tài)描述了ALE、WR、RD、CS、DIR1、ADDR的變化（OE0、OE1、DIR0分別為定值0、0、1，因此未列出來）。這里為了便于描述，設(shè)1為高電平，0為低電平，對以上幾個信號在各個狀態(tài)的值進行說明，將信號組{ALE、WR、RD、CS、DIR1}設(shè)為CtrS。

FPGA的時鐘為5 MHz，用以上狀態(tài)機來實現(xiàn)SJA1000 寄存器的讀寫，在設(shè)計中每個狀態(tài)占用的時間是一個周期，即200 ns。按照SJA1000 接口讀寫時序參數(shù)可知［8］，片選信號必須在讀寫信號有效之前變?yōu)橛行?，并且讀信號有效時存儲數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。如此，設(shè)計的時序符合時序參數(shù)要求。其他的時序設(shè)計都要嚴(yán)格按照時序參數(shù)表來設(shè)計。

在編寫讀寫模塊時，需注意雙向總線的編寫技巧。雙向口最好在頂層定義，否則模塊綜合時容易出錯。

3.3 INOUT雙向端口

芯片外部引腳很多都使用inout類型的，目的是節(jié)省管腳，即一個端口同時做輸入和輸出。inout 在具體實現(xiàn)上一般用三態(tài)門來實現(xiàn)。三態(tài)門的第三個狀態(tài)就是高阻“Z”。 當(dāng)inout端口不輸出時，將三態(tài)門置為高阻。這樣信號就不會因為兩端同時輸出而出錯了。本設(shè)計中地址數(shù)據(jù)復(fù)用的ADDR為8位雙向端口，使用時可以寫為：

inout ADDR;

wire ［7:0］ ADDR;

wire ［7:0］ input_of_ADDR;

wire ［7:0］ output_of_ADDR;

wire en;

assign ADDR = （en==1）？output_of_ADDR:8‘hzz ;

assign input_of_ADDR = ADDR;

可見，此時input_of_ADDR和output_of_ADDR就可以當(dāng)作普通信號使用了。對于雙向端口的測試用例如下：

wire ［7:0］ ADDR;

reg link;

reg ［7:0］ data_in_t;

assign ADDR=link？data_in_t:8’hzz;

對于有inout（雙向）端口的verilog程序設(shè)計，需要注意幾點：（1）對于inout端口，要定義一個與之相連的“映像寄存器”。當(dāng)inout端口作為輸出端口時，將兩者連通;而當(dāng)inout端口不作為輸出端口時，要給i~t端口賦高阻態(tài)來斷開與“映像寄存器”的連接。（2）在實例化含inout（雙向）端口的模塊時，與inout端口相連的只能是一個wire類型的變量。（3）不論是模塊設(shè)計還是仿真， 由于inout端口兼有輸人端口和輸出端口的功能，所以必須分別指定當(dāng)inout端口作為輸人端口（輸出端口）時，它與其他單元的連接情況和需要完成的操作。

4 實驗結(jié)果

在FPGA中利用Verilog編程產(chǎn)生SJA1000的片選信號CS，地址鎖存信號ALE，讀寫信號RD、WR。這些控制信號共同驅(qū)動SJA1000進行數(shù)據(jù)接收發(fā)送，同時產(chǎn)生OE0、OE1、DIR0、DIR1，來控制雙向總線收發(fā)器。設(shè)計選取的是Xilinx公司Virtex系列的芯片，邏輯開發(fā)在ISE平臺上進行。在FPGA的調(diào)試階段，使用Xilinx提供的在線邏輯分析儀ChipScope pro來在線觀察FPGA設(shè)計內(nèi)部信號的波形，它比傳統(tǒng)的邏輯分析儀更方便。圖5就是在線進行數(shù)據(jù)傳送時的波形。

在本文空間相機通信系統(tǒng)的設(shè)計中，放棄了傳統(tǒng)的基于單片機的方法，而采用以FPGA為核心控制單元，代替單片機及其外圍芯片電路。通過設(shè)計整個空間相機通信系統(tǒng)的硬件電路，并利用Verilog硬件語言描述通信流程，快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)了相機數(shù)據(jù)的通信功能。在軟硬件的聯(lián)調(diào)和驗證時，利用chipscope在線邏輯儀功能，方便準(zhǔn)確地實現(xiàn)了預(yù)期目的。