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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
摘要：介紹了利用SPI口實現(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)計控制，軟件設(shè)計流程及實現(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時控制的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，節(jié)點之間有優(yōu)先級之分，因而通信方式靈活；CAN可以點對點、一點對多點（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)先級發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好的性能。
CAN上的節(jié)點數(shù)實際可達(dá)110個，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)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(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個字節(jié)，易于糾錯�？蓾M足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。
CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯能力，每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，有效地降低了數(shù)據(jù)的錯誤率。CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉的功能，使總線上其它節(jié)點不受影響。支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境。
我們設(shè)計的一種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)點通信，對分系統(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)計及實現(xiàn)方法。主從通信模塊實現(xiàn)了主控臺和從控制單元之間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
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。它的單個芯片內(nèi)包含了10位ADC轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)flash程序存儲器、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、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個時鐘信號和兩條數(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次時鐘作用；而在從模式下，每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時鐘信號之后才發(fā)送/接收。
三、SPI的工作原理
1）SPI的信號說明
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是主片的時鐘線，為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時鐘信號。每一位數(shù)據(jù)的傳輸都需要1次時鐘作用，因而發(fā)送或接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)需要1~16個時鐘的作用。主片的時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，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，時鐘信號的1次作用對應(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），同時從片中的數(shù)據(jù)自右向左發(fā)到主片（MISO），經(jīng)過16位時鐘周期完成1個字節(jié)的發(fā)送。輸入字節(jié)保留在移位寄存器中，此時SPIINTFLAG位自動置位（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信號作用下進(jìn)行，并且SPISTE信號必須有效。當(dāng)SPISTE信號無效時，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。這是因為輸入的時鐘信號是與SPICLK的邏輯與操作，而SPICLK信號是SPISTE的反轉(zhuǎn)。這樣當(dāng)SPISTE為高時，就沒有時鐘信號輸入。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
SPI通信以一幀CAN報文5個字節(jié)為一個傳送單元進(jìn)行信息交換。主片控制著SPICLK信號可在任一時刻啟動報文傳送；從片在傳送報文之前，通過口線向主片發(fā)送一個外部中斷請求，請求成功后主片輸出SPICLK信號來啟動從片的報文傳送。從片在SPI中斷中接收主片傳送來的報文；主片在外部中斷中完成從片報文的接收。當(dāng)主片和從片同時都有報文傳送時，系統(tǒng)優(yōu)先傳送主片報文，然后再傳送從片報文。
1、主片發(fā)送，從片接收報文
主片發(fā)送報文，從片接收報文軟件流程圖如圖4所示。主片在向從片傳送報文前禁止外部中斷，也就是禁止從片發(fā)送報文。然后從CAN傳送緩沖區(qū)取一幀報文放入SPI發(fā)送暫存器中，再從SPI發(fā)送暫存器中取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)寫到SPITXBUF寄存器中啟動SPISIMO引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送，同時，從片響應(yīng)一個SPI中斷開始接收主片發(fā)送來的數(shù)據(jù)，當(dāng)從片接收到一個字節(jié)后，通過口線觸發(fā)主片的XINT1外部中斷來告知主片數(shù)據(jù)已接收，主片響應(yīng)了此XINT1外部中斷后，再發(fā)送下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀報文傳送完成后，主片將外部中斷使能，以便接收報文。從片接收完報文后，置報文接收完成標(biāo)志，以便CPU進(jìn)行報文的處理。
2、從片發(fā)送，主片接收報文
從片發(fā)送報文，主片接收報文軟件流程圖如圖5所示。從片在發(fā)送報文前，通過口線向主片發(fā)送一個XINT1外部中斷，請求報文的發(fā)送，當(dāng)主片響應(yīng)了此中斷時，發(fā)送一個偽數(shù)據(jù)（如#0FFFFh）來告知從片可以開始報文的發(fā)送，從片測試到報文請求受理標(biāo)志置位后，再從CAN傳送緩沖區(qū)取一幀報文放入SPI發(fā)送暫存器中，再從SPI發(fā)送暫存器中取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)寫到SPITXBUF寄存器中，通過口線向主片發(fā)送XINT1外部中斷，請求主片取數(shù)據(jù)，主片在XINT1中斷服務(wù)程序中監(jiān)測到中斷標(biāo)志置位時，發(fā)送偽數(shù)據(jù)#0FFFFh（啟動從片數(shù)據(jù)發(fā)送的SPICLK時鐘），然后將收到的字節(jié)存入SPI接收緩沖區(qū)，從片依次將一幀報文傳送完成后，清報文受理標(biāo)志。主片完成一幀報文接收后，置報文接收完成標(biāo)志，并退出外部中斷，以便CPU進(jìn)行報文的處理。
3、關(guān)鍵技術(shù)的處理
CAN總線上信息的傳送都是沒有規(guī)律隨機(jī)的，所以用SPI口實現(xiàn)主從系統(tǒng)間信息的傳遞時，必須考慮當(dāng)有數(shù)據(jù)正在從DSP1向DSP2傳送時，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)在互傳過程中就會出錯或丟失，影響CPU的正常工作。為了避免主從報文在發(fā)送過程中產(chǎn)生沖突，主片在XINT1中斷服務(wù)程序中完成一幀報文的接收，從片在SPI中斷服務(wù)程序中完成報文的接收。在進(jìn)行報文傳送時，不管是主片還是從片只有當(dāng)一幀報文傳送完成后，才能進(jìn)行下一幀報文的傳送。主、從片每發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，都有一個應(yīng)答信號返回標(biāo)志位（見標(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。
由于主片掌握著報文傳送的時鐘信號，即主動權(quán)，所以主片隨時都可以進(jìn)行報文的傳送。從片在報文傳送前，首先要確認(rèn)主片此時是否傳送空閑，若此時主片正在傳送報文，從片等待主片將報文傳送完成，再進(jìn)行報文的傳送；若主片正處于傳送空閑狀態(tài)，從片可以開始傳送報文。
五、結(jié)束語
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CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常不能正常工作時，能夠輔助控制分系統(tǒng)的運行，此項設(shè)計已經(jīng)在控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
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