基于FPGA的CAN/LIN协议转换网关的研究

论文摘要

随着现场总线技术的发展,多总线组合网络技术得到广泛应用,其中CAN/LIN组网应用最为广泛。应用CAN/LIN组网技术有众多的好处。首先,LIN总线相对CAN总线的最大优势是节约节点成本,特别在节点众多时,累加起来总的成本节约是很可观的。其次,LIN总线子网内部的通讯可以大大减轻CAN总线主干网的负担,减少主干网数据阻塞的可能.这一点对于实时控制系统来说十分重要。所以,CAN/LIN组网技术以其成本低廉、功能完善等优点,被广泛应用于众多领域。而实现CAN/LIN组网技术普遍采用CAN/LIN协议转换网关的形式。本课题通过对CAN总线和LIN总线协议规范以及网关实现原理的详细分析和研究,设计了基于FPGA的CAN/LIN协议转换网关。该网关从结构上分为CAN控制器模块、LIN控制器模块和协议转换模块。基本思想是将CAN控制器、LIN控制器集成到一个芯片中,并通过协议转换模块实现数据的转换。该网关允许报文帧在CAN网络和LIN网络之间透明传输,网关接收到LIN报文帧后,将LIN标志符转换为CAN标志符,然后作为CAN数据帧在CAN网络中传送;网关接收到CAN报文帧后,将CAN标志符转换为LIN标志符,然后作为LIN数据在LIN网络中传送。本课题重点讨论了网关中各模块的设计思路,以及部分模块的实现程序,并给出了相关仿真波形图.首先,以Altera公司的QuartusⅡ软件为设计平台,通过VerilogHDL硬件描述语言实现对网关中各模块进行编程。最后,利用FPGA开发板为硬件平台,对所设计系统进行验证。本课题设计的网关主要功能集成到一片芯片中,提高了网关的可靠性,使网关的结构更紧凑,使用更方便有很好的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 现场总线综述
• 1.1.1 CAN总线综述及其特点
• 1.1.2 LIN总线综述及其特点
• 1.2 协议转换网关综述
• 1.3 课题研究背景及工作内容
• 1.3.1 课题研究背景
• 1.3.2 课题工作内容
• 2 CAN和 LIN总线协议规范分析
• 2.1 CAN总线协议规范
• 2.1.1 CAN的基本概念
• 2.1.2 报文传输和帧格式
• 2.2 LIN总线协议规范
• 2.2.1 LIN的基本概念
• 2.2.2 报文传输和帧格式
• 2.3 本章小结
• 3 协议转换网关的整体设计
• 3.1 设计中的关键技术介绍
• 3.2 基于QuartusII的FPGA设计流程
• 3.3 协议转换网关功能结构
• 3.3.1 协议转换网关整体结构
• 3.3.2 协议转换网关接口设计
• 3.4 协议转换网关相关约定
• 3.5 协议转换网关工作原理
• 3.6 本章小结
• 4 CAN控制器模块的设计及仿真
• 4.1 CAN控制器模块结构及工作过程
• 4.2 寄存器控制模块
• 4.3 位时序逻辑模块
• 4.3.1 位定时要求
• 4.3.2 采样点和发送点
• 4.3.3 同步方式
• 4.4 接收缓冲器FIFO
• 4.5 验收滤波器
• 4.5.1 单滤波方式
• 4.5.2 双滤波方式
• 4.6 位流处理器
• 4.6.1 接收数据状态机
• 4.6.2 数据接收
• 4.6.3 数据发送
• 4.6.4 位填充机制
• 4.7 错误管理逻辑模块
• 4.8 本章小结
• 5 LIN控制器模块的设计及仿真
• 5.1 LIN控制器模块结构及工作模型
• 5.1.1 LIN控制器模块结构细化
• 5.1.2 LIN总线控制器的工作模型
• 5.2 寄存器管理模块
• 5.3 串行接收模块
• 5.4 接收帧处理模块
• 5.4.1 标识符ID的处理
• 5.4.2 数据场中数据的处理
• 5.5 发送帧处理模块
• 5.6 串行发送模块
• 5.7 时钟发生器模块
• 5.7.1 从机模式下的位时计算
• 5.7.2 主机模式下的位时计算
• 5.8 本章小结
• 6 协议转换模块的设计
• 6.1 协议转换模块的整体结构
• 6.2 内部寄存器的初始化
• 6.3 IIC总线主控制器接口的设计
• 6.4 CAN接口处理模块的设计
• 6.5 LIN接口处理模块的设计
• 6.6 数据缓冲器组模块
• 6.7 本章小结
• 7 CAN/LIN协议转换网关的系统调试
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢