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基于串行外設接口(SPI)的CAN總線隔離擴展設計
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計控制，軟件設計流程及實現(xiàn)方法。關鍵詞： 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)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其它節(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，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)絡發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，通過主從通信模塊與從CAN網(wǎng)絡中的節(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(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備進行通信，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、三線通信的系統(tǒng)。它允許DSP與各種外圍設備以串行方式（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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