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基于串行外設(shè)接口(SPI)的CAN總線隔離擴(kuò)展設(shè)計(jì)
摘要：介紹了利用SPI口實(shí)現(xiàn)CAN總線隔離擴(kuò)展的一種通信控制系統(tǒng)，詳細(xì)敘述了此通信控制系統(tǒng)中主從通信模塊的硬件設(shè)計(jì)控制，軟件設(shè)計(jì)流程及實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞： CAN總線 SPI口 XINT1中斷
一、引言
CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)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，節(jié)點(diǎn)之間有優(yōu)先級(jí)之分，因而通信方式靈活；CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù) ；CAN采用非破壞性位仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好的性能。
CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸速率為5kbps）；最高通信速率可達(dá)1Mbps（傳輸距離為40m）。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，CAN數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個(gè)字節(jié)，易于糾錯(cuò)。可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。
CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，有效地降低了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率。CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，使總線上其它節(jié)點(diǎn)不受影響。支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境。
我們?cè)O(shè)計(jì)的一種CAN總線主從通信控制系統(tǒng)如圖1所示，該控制系統(tǒng)采用內(nèi)外兩層隔離控制形式，主控臺(tái)向主CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，通過主從通信模塊與從CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通信，對(duì)分系統(tǒng)控制單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。此系統(tǒng)使CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加了n倍；CAN總線的傳輸速率和通信距離大幅度的提高；抗干擾能力也大幅度的增強(qiáng)。
本文討論的是CAN總線主從通信控制系統(tǒng)中主從通信模塊的硬件、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。主從通信模塊實(shí)現(xiàn)了主控臺(tái)和從控制單元之間CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的隔離擴(kuò)展，對(duì)通信數(shù)據(jù)處理、傳輸和CAN網(wǎng)絡(luò)控制有一定的借鑒作用。
二、硬件設(shè)計(jì)
主從通信模塊控制原理框圖如圖2所示，核心芯片是TI公司TMS320C2000系列的適合于數(shù)字控制的一種DSP。它的單個(gè)芯片內(nèi)包含了10位ADC轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)flash程序存儲(chǔ)器、事件管理器、數(shù)字輸入輸出I/O口等。為了便于與各種外圍設(shè)備進(jìn)行通信，DSP還提供了一些接口：CAN接口、串行外設(shè)接口（SPI）、串行通信接口（SCI）等。其中，SPI接口是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，是一種全雙工、三線通信的系統(tǒng)。它允許DSP與各種外圍設(shè)備以串行方式（可配置成1~16位數(shù)據(jù)同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收）進(jìn)行通信。在SPI接口中，數(shù)據(jù)的傳輸需要1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和兩條數(shù)據(jù)線。SPI可工作在主模式或從模式下。在主模式下，每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收需要1次時(shí)鐘作用；而在從模式下，每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時(shí)鐘信號(hào)之后才發(fā)送/接收。
三、SPI的工作原理
1）SPI的信號(hào)說明
如圖2通信控制部分原理圖，兩片DSP芯片的SPI使用4條線直接接口：串行時(shí)鐘線（SPICLK）、主片輸入/從片輸出數(shù)據(jù)線SPISOMI、主片輸出/從片輸入數(shù)據(jù)線SPISIMO和低電平有效的從片選擇線SPISTE。
SPICLK是主片的時(shí)鐘線，為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號(hào)。每一位數(shù)據(jù)的傳輸都需要1次時(shí)鐘作用，因而發(fā)送或接收1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要1~16個(gè)時(shí)鐘的作用。主片的時(shí)鐘是通過主片的硬件設(shè)置的，并和從片的SPICLK相連。
MISO是主片的輸入/從片的輸出數(shù)據(jù)線。主片的MISO應(yīng)與從片的MISO相連進(jìn)行高位在前的數(shù)據(jù)交換。MOSI是SPI接口的SPI主片輸出/從片輸入數(shù)據(jù)腳。這一引腳應(yīng)當(dāng)連接主片的數(shù)據(jù)輸出和從片的數(shù)據(jù)輸入端MOSI，進(jìn)行高位在前數(shù)據(jù)的交換。
SPISTE只在從方式中用于低電平選中從片，對(duì)應(yīng)的主片SPISTE腳被配置為I/O口作為從片的SPI片選輸入腳。
2）主模式
發(fā)送和接收可以同時(shí)工作在主模式下。主模式的顯著特征是不論是發(fā)送還是接收始終有SPICLK信號(hào)，發(fā)送操作是由向SPIDAT（或SPITXBUF）中寫數(shù)據(jù)而觸發(fā)的。在主模式下，時(shí)鐘信號(hào)的1次作用對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)的發(fā)送（M0SI）和另一位數(shù)據(jù)的接收（MISO）。如圖3所示，在主片中數(shù)據(jù)從移位寄存器中自左向右發(fā)出送到從片（MOSI），同時(shí)從片中的數(shù)據(jù)自右向左發(fā)到主片（MISO），經(jīng)過16位時(shí)鐘周期完成1個(gè)字節(jié)的發(fā)送。輸入字節(jié)保留在移位寄存器中，此時(shí)SPI INT FLAG位自動(dòng)置位（如果有中斷設(shè)置，則產(chǎn)生中斷），移位寄存器的數(shù)據(jù)將被鎖存到SPIRXBUF中，此后對(duì)SPIRXBUF的讀操作將把數(shù)據(jù)讀出。
3）從模式
發(fā)送和接收同時(shí)工作在從模式下。從模式的顯著特征是：不論是發(fā)送還是接收始終必須在SPICLK信號(hào)作用下進(jìn)行，并且SPISTE信號(hào)必須有效。當(dāng)SPISTE信號(hào)無效時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送無法進(jìn)行并且輸入的數(shù)據(jù)視為無效。這是因?yàn)檩斎氲臅r(shí)鐘信號(hào)是與SPICLK的邏輯與操作，而SPICLK信號(hào)是SPISTE的反轉(zhuǎn)。這樣當(dāng)SPISTE為高時(shí)，就沒有時(shí)鐘信號(hào)輸入。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的過程見圖3所示，與主模式下基本相似，只是移位寄存器的數(shù)據(jù)移出和輸入方向與之相反。
四、軟件設(shè)計(jì)
SPI通信以一幀CAN報(bào)文5個(gè)字節(jié)為一個(gè)傳送單元進(jìn)行信息交換。主片控制著SPICLK信號(hào)可在任一時(shí)刻啟動(dòng)報(bào)文傳送；從片在傳送報(bào)文之前，通過口
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