基于串行外設(shè)接口(SPI)的CAN總線隔離擴(kuò)展設(shè)計(jì)論文
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(guò)長(zhǎng)，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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(wú)效時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送無(wú)法進(jìn)行并且輸入的數(shù)據(jù)視為無(wú)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(méi)有時(shí)鐘信號(hào)輸入。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的過(guò)程見(jiàn)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(guò)口線向主片發(fā)送一個(gè)外部中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求成功后主片輸出SPICLK信號(hào)來(lái)啟動(dòng)從片的報(bào)文傳送。從片在SPI中斷中接收主片傳送來(lái)的報(bào)文；主片在外部中斷中完成從片報(bào)文的接收。當(dāng)主片和從片同時(shí)都有報(bào)文傳送時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先傳送主片報(bào)文，然后再傳送從片報(bào)文。
1、主片發(fā)送，從片接收?qǐng)?bào)文
主片發(fā)送報(bào)文，從片接收?qǐng)?bào)文軟件流程圖如圖4所示。主片在向從片傳送報(bào)文前禁止外部中斷，也就是禁止從片發(fā)送報(bào)文。然后從CAN傳送緩沖區(qū)取一幀報(bào)文放入SPI發(fā)送暫存器中，再?gòu)腟PI發(fā)送暫存器中取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫到SPITXBUF寄存器中啟動(dòng)SPISIMO引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)，從片響應(yīng)一個(gè)SPI中斷開(kāi)始接收主片發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)從片接收到一個(gè)字節(jié)后，通過(guò)口線觸發(fā)主片的XINT1外部中斷來(lái)告知主片數(shù)據(jù)已接收，主片響應(yīng)了此XINT1外部中斷后，再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀報(bào)文傳送完成后，主片將外部中斷使能，以便接收?qǐng)?bào)文。從片接收完報(bào)文后，置報(bào)文接收完成標(biāo)志，以便CPU進(jìn)行報(bào)文的處理。
2、從片發(fā)送，主片接收?qǐng)?bào)文
從片發(fā)送報(bào)文，主片接收?qǐng)?bào)文軟件流程圖如圖5所示。從片在發(fā)送報(bào)文前，通過(guò)口線向主片發(fā)送一個(gè)XINT1外部中斷，請(qǐng)求報(bào)文的發(fā)送，當(dāng)主片響應(yīng)了此中斷時(shí)，發(fā)送一個(gè)偽數(shù)據(jù)（如#0FFFFh）來(lái)告知從片可以開(kāi)始報(bào)文的發(fā)送，從片測(cè)試到報(bào)文請(qǐng)求受理標(biāo)志置位后，再?gòu)腃AN傳送緩沖區(qū)取一幀報(bào)文放入SPI發(fā)送暫存器中，再?gòu)腟PI發(fā)送暫存器中取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫到SPITXBUF寄存器中，通過(guò)口線向主片發(fā)送XINT1外部中斷，請(qǐng)求主片取數(shù)據(jù)，主片在XINT1中斷服務(wù)程序中監(jiān)測(cè)到中斷標(biāo)志置位時(shí)，發(fā)送偽數(shù)據(jù)#0FFFFh（啟動(dòng)從片數(shù)據(jù)發(fā)送的SPICLK時(shí)鐘），然后將收到的字節(jié)存入SPI接收緩沖區(qū)，從片依次將一幀報(bào)文傳送完成后，清報(bào)文受理標(biāo)志。主片完成一幀報(bào)文接收后，置報(bào)文接收完成標(biāo)志，并退出外部中斷，以便CPU進(jìn)行報(bào)文的處理。
3、關(guān)鍵技術(shù)的處理
CAN總線上信息的傳送都是沒(méi)有規(guī)律隨機(jī)的，所以用SPI口實(shí)現(xiàn)主從系統(tǒng)間信息的傳遞時(shí)，必須考慮當(dāng)有數(shù)據(jù)正在從DSP1向DSP2傳送時(shí)，應(yīng)該禁止數(shù)據(jù)從DSP2向DSP1傳送，反之也然。否則數(shù)據(jù)在互傳過(guò)程中就會(huì)出錯(cuò)或丟失，影響CPU的正常工作。為了避免主從報(bào)文在發(fā)送過(guò)程中產(chǎn)生沖突，主片在XINT1中斷服務(wù)程序中完成一幀報(bào)文的接收，從片在SPI中斷服務(wù)程序中完成報(bào)文的接收。在進(jìn)行報(bào)文傳送時(shí)，不管是主片還是從片只有當(dāng)一幀報(bào)文傳送完成后，才能進(jìn)行下一幀報(bào)文的傳送。主、從片每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，都有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)返回標(biāo)志位（見(jiàn)標(biāo)志位意義）的判斷，以便確認(rèn)數(shù)據(jù)是否完整的發(fā)送或接收。
由于主片掌握著報(bào)文傳送的時(shí)鐘信號(hào)，即主動(dòng)權(quán)，所以主片隨時(shí)都可以進(jìn)行報(bào)文的傳送。從片在報(bào)文傳送前，首先要確認(rèn)主片此時(shí)是否傳送空閑，若此時(shí)主片正在傳送報(bào)文，從片等待主片將報(bào)文傳送完成，再進(jìn)行報(bào)文的傳送；若主片正處于傳送空閑狀態(tài)，從片可以開(kāi)始傳送報(bào)文。
五、結(jié)束語(yǔ)
此CAN總線主從通信控制系統(tǒng)外加一些輔助控制單元（如顯控單元，操作鍵盤等）后可作為從CAN網(wǎng)絡(luò)的主控制器使用，在主控臺(tái)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常不能正常工作時(shí)，能夠輔助控制分系統(tǒng)的運(yùn)行，此項(xiàng)設(shè)計(jì)已經(jīng)在控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
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