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基于串行外設接口(SPI)的CAN總線(xiàn)隔離擴展設計
摘要：介紹了利用SPI口實(shí)現CAN總線(xiàn)隔離擴展的一種通信控制系統，詳細敘述了此通信控制系統中主從通信模塊的硬件設計控制，軟件設計流程及實(shí)現方法。關(guān)鍵詞： CAN總線(xiàn) SPI口 XINT1中斷
一、引言
CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，網(wǎng)絡(luò )上任意一個(gè)節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上的其它節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，節點(diǎn)之間有優(yōu)先級之分，因而通信方式靈活；CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據 ；CAN采用非破壞性位仲裁技術(shù)，優(yōu)先級發(fā)送，可以大大節省總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間，在重負荷下表現出良好的性能。
CAN上的節點(diǎn)數實(shí)際可達110個(gè)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維，直接通信距離最遠可達10km（傳輸速率為5kbps）；最高通信速率可達1Mbps（傳輸距離為40m）。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼，CAN數據鏈路層采用短幀結構，每一幀為8個(gè)字節，易于糾錯�？蓾M(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。
CAN總線(xiàn)具有較強的糾錯能力，每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，有效地降低了數據的錯誤率。CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，使總線(xiàn)上其它節點(diǎn)不受影響。支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境。
我們設計的一種CAN總線(xiàn)主從通信控制系統如圖1所示，該控制系統采用內外兩層隔離控制形式，主控臺向主CAN網(wǎng)絡(luò )發(fā)送指令和數據，通過(guò)主從通信模塊與從CAN網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)通信，對分系統控制單位進(jìn)行數據采集和控制。此系統使CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)數增加了n倍；CAN總線(xiàn)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。
本文討論的是CAN總線(xiàn)主從通信控制系統中主從通信模塊的硬件、軟件設計及實(shí)現方法。主從通信模塊實(shí)現了主控臺和從控制單元之間CAN網(wǎng)絡(luò )數據通信的隔離擴展，對通信數據處理、傳輸和CAN網(wǎng)絡(luò )控制有一定的借鑒作用。
二、硬件設計
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系列的適合于數字控制的一種DSP。它的單個(gè)芯片內包含了10位ADC轉換器、片內f(wàn)lash程序存儲器、事件管理器、數字輸入輸出I/O口等。為了便于與各種外圍設備進(jìn)行通信，DSP還提供了一些接口：CAN接口、串行外設接口（SPI）、串行通信接口（SCI）等。其中，SPI接口是工業(yè)標準的同步串行接口，是一種全雙工、三線(xiàn)通信的系統。它允許DSP與各種外圍設備以串行方式（可配置成1~16位數據同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收）進(jìn)行通信。在SPI接口中，數據的傳輸需要1個(gè)時(shí)鐘信號和兩條數據線(xiàn)。SPI可工作在主模式或從模式下。在主模式下，每一位數據的發(fā)送/接收需要1次時(shí)鐘作用；而在從模式下，每一位數據都是在接收到時(shí)鐘信號之后才發(fā)送/接收。
三、SPI的工作原理
1）SPI的信號說(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(xiàn)直接接口：串行時(shí)鐘線(xiàn)（SPICLK）、主片輸入/從片輸出數據線(xiàn)SPISOMI、主片輸出/從片輸入數據線(xiàn)SPISIMO和低電平有效的從片選擇線(xiàn)SPISTE。
SPICLK是主片的時(shí)鐘線(xiàn)，為MISO數據的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號。每一位數據的傳輸都需要1次時(shí)鐘作用，因而發(fā)送或接收1個(gè)字節的數據需要1~16個(gè)時(shí)鐘的作用。主片的時(shí)鐘是通過(guò)主片的硬件設置的，并和從片的SPICLK相連。
MISO是主片的輸入/從片的輸出數據線(xiàn)。主片的MISO應與從片的MISO相連進(jìn)行高位在前的數據交換。MOSI是SPI接口的SPI主片輸出/從片輸入數據腳。這一引腳應當連接主片的數據輸出和從片的數據輸入端MOSI，進(jìn)行高位在前數據的交換。
SPISTE只在從方式中用于低電平選中從片，對應的主片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(zhù)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(xiě)數據而觸發(fā)的。在主模式下，時(shí)鐘信號的1次作用對應一位數據的發(fā)送（M0SI）和另一位數據的接收（MISO）。如圖3所示，在主片中數據從移位寄存器中自左向右發(fā)出送到從片（MOSI），同時(shí)從片中的數據自右向左發(fā)到主片（MISO），經(jīng)過(guò)16位時(shí)鐘周期完成1個(gè)字節的發(fā)送。輸入字節保留在移位寄存器中，此時(shí)SPI INT FLAG位自動(dòng)置位（如果有中斷設置，則產(chǎn)生中斷），移位寄存器的數據將被鎖存到SPIRXBUF中，此后對SPIRXBUF的讀操作將把數據讀出。
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(zhù)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SPISTE信號無(wú)效時(shí)，數據的發(fā)送無(wú)法進(jìn)行并且輸入的數據視為無(wú)效。這是因為輸入的時(shí)鐘信號是與SPICLK的邏輯與操作，而SPICLK信號是SPISTE的反轉。這樣當SPISTE為高時(shí)，就沒(méi)有時(shí)鐘信號輸入。數據的發(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據移出和輸入方向與之相反。
四、軟件設計
SPI通信以一幀CAN報文5個(gè)字節為一個(gè)傳送單元進(jìn)行信息交換。主片控制著(zhù)SPICLK信號可在任一時(shí)刻啟動(dòng)報文傳送；從片在傳送報文之前，通過(guò)口
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