以FPGA为核心控制单元的空间相机通信系统的设计详解

在空间相机数据采集应用中，为了满足电路板体积重量以及可扩展性的要求，利用FPGA作为主控芯片，控制相机进行数据采集和传输。在数据通信系统中，FPGA替代了传统的单片机作为CAN总线的主控制器，并给出了详细的硬件电路设计方法。在对CAN协议控制器SJA1000进行功能及时序分析后，利用硬件语言对其通信流程进行设计。实践证明，在严格的时序逻辑下，FPGA能够控制CAN总线稳定正确地对相机数据进行收发。

CAN总线是由ISO定义的串行通信总线，主要用于各种过程检测及控制。它是一种多主总线，具有高位速率和高抗电磁干扰性，而且能够检测出传输中产生的任何错误。显著的优点使得CAN总线成为国际上应用最广泛的现场总线标准之一 。

由于其优良的性能及独特的设计，CAN总线已被广泛地应用于各种分布式控制系统中。特别是由于CAN总线具有抗干扰性强、高数据传输率、低成本等优点，在小卫星和微小卫星中得到了越来越广泛的应用。在卫星有效载荷数据控制传输中也会应用，如空间相机数据通信方面。

1 数据通信系统

一般来说，每个CAN模块能够被分成三个不同的功能块，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。FGPA主控制器负责执行应用的功能，例如对空间CCD相机控制命令的发送、读取图像数据等。它通过对CAN控制器的编程控制CAN总线的工作方式、工作状态以及数据的发送和接收。

在本项目的特殊环境要求下，使用FPGA作为主控芯片，控制空间相机进行数据采集与传输，并通过CAN总线进行数据收发。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，另一方面是FPGA具有丰富的资源、超高的性能和灵活的可编程性［3］，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。

2 通信系统接口设计

电路设计如图2所示。SJA1000的AD0~AD7地址数据复用端口、ALE地址锁存端口、读使能信号RD、写使能信号WR、片选CS端口， 均通过双向总线收发器74ALVC164245与FPGA的I/O口相连［4］。这是因为FPGA的3.3 V的LVTTL电平不支持SJA1000的5 V TTL电平，所以利用双向总线收发器实现两器件信号的电平转换。SJA1000的中断输出信号INT连入FPGA，这样CAN通信就可以采用中断或查询两种方式。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16 MHz，频率调整电容取15 pF。设计中CAN总线的终端电阻取120Ω［5］。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R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［6］。

在接口设计中，有几点需要注意：（1）SJA1000的INT端口是开漏输出，所以在使用时应该加上拉电阻，不然电平一直为低，无法实现中断方式。（2）电平信号AD0~AD7必须按顺序连接在总线收发器74ALVC164245的一个8位端口上，不可分开。

3 通信系统软件设计

3.1 系统流程设计

CAN总线通信模块的控制主要包括三大部分：CAN总线节点初始化、报文发送和报文接收。主流程如图3所示。

CAN节点主程序主要包括：作为主控制器的FPGA的初始化、CAN控制器初始化、寄存器状态查询、接收发送报文以及数据处理。在此设计中，由于通信模块对接收数据的实时性要求并不是很高，因此CAN总线的接收和发送采用查询方式 。在整个流程实现中，主要是对CAN控制器SJA1000中的寄存器进行读写操作。

3.2 读写流程控制

SJA1000 的数据和地址信号为时分复用，而FPGA 中不存在地址的概念，因此在读写寄存器时，要把SJA1000 中的寄存器地址当作数据写入。所以在系统的顶层模块设计中，将设计一个读写子模块来专门产生对CAN寄存器进行读写控制的时序，而核心主模块则只对通信流程进行描述。读写时序的状态机流程图如图4所示。在IDLE状态，对接口信号进行初始化，其中地址锁存信号ALE为低电平、写信号WR 为高电平、读信号RD为高电平、片选信号CS 为高电平、地址数据复用总线ADDR为高阻态、writeover和readover为低电平（writeover为高电平表示一个写时序的完成， readover为高电平表示一个读时序的完成） 。另外对于核心主模块的控制信号start和iswr，当start为低电平时继续在IDLE状态循环，反之则进入写地址状态Address0、Address1。然后根据iswr信号是高电平或低电平而进入写数据进程或读数据进程。读写数据过程均由两个状态完成，分别是RD0、RD1、WR0、WR1。当一个完整的读或写操作完成时，进入IDLE状态。每一个状态描述了ALE、WR、RD、CS、DIR1、ADDR的变化（OE0、OE1、DIR0分别为定值0、0、1，因此未列出来）。这里为了便于描述，设1为高电平，0为低电平，对以上几个信号在各个状态的值进行说明，将信号组{ALE、WR、RD、CS、DIR1}设为CtrS。

FPGA的时钟为5 MHz，用以上状态机来实现SJA1000 寄存器的读写，在设计中每个状态占用的时间是一个周期，即200 ns。按照SJA1000 接口读写时序参数可知［8］，片选信号必须在读写信号有效之前变为有效，并且读信号有效时存储数据总线上的数据。如此，设计的时序符合时序参数要求。其他的时序设计都要严格按照时序参数表来设计。

在编写读写模块时，需注意双向总线的编写技巧。双向口最好在顶层定义，否则模块综合时容易出错。

3.3 INOUT双向端口

芯片外部引脚很多都使用inout类型的，目的是节省管脚，即一个端口同时做输入和输出。inout 在具体实现上一般用三态门来实现。三态门的第三个状态就是高阻“Z”。 当inout端口不输出时，将三态门置为高阻。这样信号就不会因为两端同时输出而出错了。本设计中地址数据复用的ADDR为8位双向端口，使用时可以写为：

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;

可见，此时input_of_ADDR和output_of_ADDR就可以当作普通信号使用了。对于双向端口的测试用例如下：

wire ［7:0］ ADDR;

reg link;

reg ［7:0］ data_in_t;

assign ADDR=link？data_in_t:8’hzz;

对于有inout（双向）端口的verilog程序设计，需要注意几点：（1）对于inout端口，要定义一个与之相连的“映像寄存器”。当inout端口作为输出端口时，将两者连通;而当inout端口不作为输出端口时，要给i~t端口赋高阻态来断开与“映像寄存器”的连接。（2）在实例化含inout（双向）端口的模块时，与inout端口相连的只能是一个wire类型的变量。（3）不论是模块设计还是仿真， 由于inout端口兼有输人端口和输出端口的功能，所以必须分别指定当inout端口作为输人端口（输出端口）时，它与其他单元的连接情况和需要完成的操作。

4 实验结果

在FPGA中利用Verilog编程产生SJA1000的片选信号CS，地址锁存信号ALE，读写信号RD、WR。这些控制信号共同驱动SJA1000进行数据接收发送，同时产生OE0、OE1、DIR0、DIR1，来控制双向总线收发器。设计选取的是Xilinx公司Virtex系列的芯片，逻辑开发在ISE平台上进行。在FPGA的调试阶段，使用Xilinx提供的在线逻辑分析仪ChipScope pro来在线观察FPGA设计内部信号的波形，它比传统的逻辑分析仪更方便。图5就是在线进行数据传送时的波形。

在本文空间相机通信系统的设计中，放弃了传统的基于单片机的方法，而采用以FPGA为核心控制单元，代替单片机及其外围芯片电路。通过设计整个空间相机通信系统的硬件电路，并利用Verilog硬件语言描述通信流程，快速准确地实现了相机数据的通信功能。在软硬件的联调和验证时，利用chipscope在线逻辑仪功能，方便准确地实现了预期目的。