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基于串行外設(shè)接口(SPI)的CAN總線隔離擴展設(shè)計
摘要:介紹了利用SPI口實現(xiàn)CAN總線隔離擴展的一種通信控制系統(tǒng),詳細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,在重負荷下表現(xiàn)出良好的性能。
CAN上的節(jié)點數(shù)實際可達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。
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)標準的同步串行接口,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)當連接主片的數(shù)據(jù)輸出和從片的數(shù)據(jù)輸入端MOSI,進行高位在前數(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SPI INT FLAG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信號作用下進行,并且SPISTE信號必須有效。當SPISTE信號無效時,數(shù)據(jù)的發(fā)送無法進行并且輸入的數(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
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