基于CH368的PCIE总线接口CAN节点的实现

基于CH368的PCIE总线接口CAN节点的实现
唐建;蒲永材;李泽银
【摘要】为了提升武器系统自主化水平、提高国产化率、降低成本,采用CH368芯片实现PCIE总线的接口转换,并在此基础上完成PCIE总线的CAN节点设
计.PCIE具有串行总线的优势,逐渐替代PCI成为信息处理与控制系统最常用的总线之一,并在军工领域得到广泛运用;文中详细介绍了CH368芯片的功能特点,并对本地总线接口与CAN控制器SJA1000的访问控制逻辑实现进行了详述.应用结果表明:采用该方案设计的CAN节点通讯稳定可靠,还具有电路简洁、成本较低的特点.【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2017(030)006
【总页数】4页(P91-94)
【关键词】CH368;CAN;PCIe总线;SJA1000;国产化
【作者】唐建;蒲永材;李泽银
【作者单位】中国兵器工业第58研究所,四川绵阳621000;中国兵器工业第58研究所,四川绵阳621000;中国兵器工业第58研究所,四川绵阳621000
【正文语种】中文
【中图分类】TP302
本文描述的CAN节点用于某自主化武器控制系统，综合对国产化率、成本以及可靠性的考虑，我们采用了ASIC方案实现。

但PCIE总线芯片采用沁恒CH368，该方案的成功实施，在提高器件国产化率的同时，还保持了低成本的优势。

这对提高
类似产品的国产化率，具有很好的参考意义[1~4]。

随着数字电子技术的发展，计算机系统中各种功能扩展模块也纷纷采用了PCIE接口进行扩展设计。

而CAN总线的高性能、高可靠性已被业界认可，已大量应用于工业控制、汽车电子，甚至信息化武器系统中。

面对基于PCIE总线的CAN接口
需求，具体设计时都需要完成PCIE总线到CAN控制器总线的转换。

目前的方案
根据芯片选型来看有ASIC方案和FPGA方案两大类。

①ASIC方案。

PCIE总线及CAN控制器均采用ASIC芯片实现，常见是PEX8311+SJA1000。

再搭配小规模CPLD完成总线时序的转换；②FPGA方案。

采用FPGA中自带的硬PCIE IP核实现PCIE接口及协议解析，FPGA外接SJA1000或者直接用软IP实现CAN Core。

相对来说，ASIC方案硬件电路复杂，采用成熟芯片可靠性高。

FPGA方案对FPGA有最低要求，开发难度较大，容易有Bug，验证周期长。

本文采用的CAN接口实现了3通道隔离的CAN接口。

处理器通过PCIE总线向CAN控制器发起读写操作命令，CH368芯片完成PCIE总线物理层电信号转换并
进行协议解析后，实现为Local Bus的读写操作。

然后由挂接在Local Bus上的CPLD完成总线时序的转换、片选译码、中断状态指示等工作。

SJA1000控制器
直接连接ZLG的CAN隔离驱动模块CTM1051。

整个模块的功能框图如图1所示。

从图1中看出，方案中非国产芯片只有SJA1000 和 LC4256，其它元器件，包括
电阻电容、晶振、24C02均为国产元器件。

国产化率达到了90%以上。

CH368芯片连接PCI-Express总线的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断。

CH368将高速PCIE总线转换为简便易用的类似于ISA总线的32位或者8位主动并行接口。

适用于高速实时的I/O控制卡、通讯接口卡、数据采集卡等。

芯片采用CMOS工艺，3.3V/1.8V供电，采用 LQFP100（14×14）mm 封装[5]。

其基本特点为：①PCIE x1接口；②提供I/O端口及内存映射；③支持中断共享，并支持边沿或电平触发；④可用EEPROM设定板卡ID；
⑤提供SPI及I2C接口；⑥内置硬件计时器单元；⑦并行总线时序可通过编程进
行调整；⑧有工业级产品，工作温度为-40～+85℃。

与PEX8311相比，CH368所支持的功能明显较弱，PEX8311的PCIE接口除可
设置为endpoint模式外，还可配置为root模式，Local Bus可配置为C和M模式，支持更灵活的总线时序调整，还有更强大有DMA传输和mailbox等功能。

但PEX8311的BGA337封装会占用（21×21）mm的板面积。

PCIE接口的
CAN节点设计只需要Local Bus具有内存映射及中断功能即可，CH368芯片完全可以胜任，成本上更具优势。

该部分电路可参考沁恒公司提供的技术文档。

设计时仍需要注意以下几点：
①PCIE总线的TX和RX差分对，要注意信号方向，以保证与PCIE root部分正确连接了，耦合电容应靠近芯片放置在信号发送端；②1.8V的电源要为PCIE总线提供驱动的，要保证电源纹波较小。

特别是VCC18A电源要单独进行滤波处理；
③EEPROM为设置ID用，如无特殊要求，可以不用，沿用厂家默认ID即可；④
数据总线及地址总线均可按实际使用引出，如文中采用8位内存总线方式，其余
的24位数据及IO读写信号均可以不连接；⑤16脚连接的12K电阻采用1%精度；
⑥该PCB设计因为有PCIE高速总线信号，需要精心设计，并进行阻抗匹配，可
参考PCIE规范。

CPLD采用了ispMACH4000V系列LC4256V-75T144I，该系列CPLD采用3.3V 单电源供电，低功耗，并支持IO接口5V耐受，工业级芯片结温范围可达到-
40~+105度。

该芯片拥有96个用户IO，256个宏单元，非常适合也完全满足本方案的要求。

CPLD电路设计只需注意以下几点：①在芯片每个电源引脚都要安装滤波电容；②JTAG电路引线控制长度，下载连接器就近摆放；③为CPLD进行信号定义时，最好进行一次逻辑功能预布，将功能引脚合理分配在多个逻辑块中，以防止出现在进行管脚约束后，不能生成JED文件困扰。

CAN控制器选用SJA1000T芯片，该芯片采用SO28封装，体积较大，是业界使用最广泛的独立CAN控制器。

支持CAN2.0B协议，并提供BasicCAN和PeliCAN两种编程模式。

集成的64 Bytes的接收FIFO，在大多数处理器平台上能获得较快的通讯速度。

SJA1000T的典型电路如图3所示。

①MODE信号接高电平，采用Intel模式；②INT#中断输出信号一定要加上拉，才保证SJA1000T 芯片中断功能正常；③RX1引脚电压被设计为2.0V，分压电阻选用1%精度；
④AD信号为双向信号，虽然输出电平是5V CMOS，仍可以直接连接到CPLD芯片；⑤多片SJA1000T芯片可以共用一个晶振。

AD[7：0]、ALE、RD#、WR# 信号多片也是共用的。

这部分电路我们采用了一个ZLG（致远电子）的CAN收发器模块CTM1051Q来实现，该模块内部包含隔离DCDC、信号隔离电路、CAN总线收发电路、基础的总线防护等。

同传统的“隔离电源+光电隔离+TJA1050”设计相比，具备更高的集成度、更高的可靠性和更具竞争力的价格。

CTM1051Q模块是一款使用简单、可靠的国产CAN收发器件。

在简单使用环境下，只需要接上电源、TTL端收发信号，再连接到CAN总线就可以使用，不需要其它外部元件。

恶劣应用条件下，可参考图4添加防雷、防浪涌等措施。

因为SJA1000T总线接口是Address、Data复用的，将SJA1000T与CH368直接连接的话，是无法对SJA1000T正常访问的，因此需要CPLD逻辑完成该项工作。

同时，为了降低软件驱动开发的复杂度，CH368芯片的设置全部采用了复位以后的默认值。

这些设置包括信号的极性、信号的输出有效电平的宽度等。

并以此为基础进行CPLD的逻辑开发工作。

CPLD设计采用VHDL描述语言，整个设计采用自顶而下的设计方法，使用ispLEVER+ModelSim软件进行设计与仿真[7～10]。

其外部连接及逻辑功能框图见图5。

CPLD的主要功能有：①完成地址译码，对CH368访问空间的进行分配；②实现
CH368读写操作时序到SJA1000T访问时序的转换；③实现多个CAN控制器的
中断状态及响应；④实现硬件复位功能。

CH368提供了32K字节内存与255字节IO映射空间。

我们只使用内存（Memory）空间进行外部空间的映射与访问。

地址A15因为只能由内部IO寄
存器来控制，作为额外的译码扩展使用。

所以暂且不用，只对A[14：0]进行译码。

地址译码逻辑很简单，只需要用VHDL中的assign语句就可以很好的实现了。

CH368芯片的读写操作时序以及SJA1000的访问接口时序见图6~图8。

图6 中的TEN为读写脉冲宽度，默认值为30ns×7+60ns-30ns=240ns。

SJA1000 一个最小写操作周期 TWR=tW（AL）+tLLWL+tW（W）
+tWHLH=8+10+20+15=53ns；最小读操作周期 TWW=tW（AL）+tLL-
RL+tW（R）+tRHDZ=8+10+40+30=88ns。

因此在一个 TEN 时间内完全可以满足SJA1000的操作时序要求。

通过同步状态机，可以方便地将CH368的时序转换为SJA1000操作时序，其工
作状态图如图9所示。

注意到SJA1000的写操作保持时间TWHDX为8ns，而CH368的LocalBus总
线时钟为100MHz，因此，在进行写操作时，专门设计了有1个时钟周期宽度的
保持状态KEEP，以保证写操作时数据的保持时间要求。

时序转换状态机通过ModelSim仿真得到的操作时序如图10所示。

CH368芯片只有一个中断响应引脚INT，本设计采用了简单的中断共享方式。

当
3个SJA1000芯片中任何一个控制器产生了中断请求，都将置CH368的INT引
脚为有效状态，向系统申请中断。

并在CPLD中实现了一个中断状态寄存器，用
来指示3个SJA1000芯片的INT引脚状态。

当控制器有中断产生时，CH368向系统申请中断，系统调用中断服务程序进行处理，首先读取CPLD中的中断状态寄存器，判断是哪一个控制器发出的中断请求，
然后转入相应控制器的中断处理流程。

虽然中断服务程序也可以通过逐一查询每个SJA1000的内部相关寄存器的方式来进行判断，但会消耗较多的处理器时间，从
而导致中断占用间延长，而降低系统的响应能力。

SJA1000芯片有2种复位方法，一种是通过引脚RST输入一个低电平脉冲，即硬件复位。

一种是通过对命令控制寄存器的bit0置1来实现的软复位。

硬件复位一
般只在上电时进行一次，但在实际对SJA1000芯片的应用中发现，软复位有时并不能达到复位的效果，而此时又不能对整机进行复位操作。

为了确保通过软件就能够可靠地复位芯片，在每一个CAN控制器映射区内实现了一块只写的复位地址区域，向该地址范围执行写操作时，就会产生一个复位信号送到SJA1000的RST引脚。

复位信号为低电平有效信号，信号宽度大于20ms。

如果该信号全部采用CPLD逻辑实现的话，在100MHz运行频率下，触发器资源占用较大，因此本设计采用了74LS123单稳态触发器来配合实现，由CPLD产生触发信号，并通过调整74LS123的RC参数来控制脉冲宽度。

系统运行Liunx系统，上电进入操作系统后，首先加载驱动程序并进行初始化，
完成如下工作：①初始化PCI接口，完成PCI空间内存映射等工作；②完成
SJA1000的初始化，如波特率、屏蔽码、工作模式等的设置；③清空接收及发送FIFO；④创建数据发送与接收线程；⑤完成中断服务程序的连接，设置中断允许位，然后打开CH368及SJA1000的中断。

驱动程序完成初始化工作后，应用程序会通过open，read，write等标准函数接
口与驱动程序通信，完成CAN数据的发送与接收。

本文的实现方法在某自主化装甲车火控系统中进行了应用与验证。

CAN节点被集
成在一个基于龙芯2H的计算机主板上，2H处理器运行频率800MHz，内存1GB。

整个计算机除了完成CAN总线数据的通信以外，还实现了弹道解算、人机界面、多机通信、伺服控制等功能。

在应用过程中，CAN总线节点运行稳定、未出现掉
帧，错帧的现象，误码率低，通信速度可达到6帧/秒（1Mbps）。

实践证明，使用CH368芯片进行CAN节点扩展，具有电路简洁、技术实现容易、成本较低、国产化率高的特点。

CH368特别适合在PCIe总线系统中进行小数据量传输的简单应用场合使用。

【相关文献】
[1]邹晨，高云.基于FPGA的PCIe总线DMA传输的设计与实现[J].电光与控制，2015，7.
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