基于CAN控制器MCP2515-I/SO的模擬SPI串口通信的應用

摘要:SPI接口是單片機應用系統中常用的串行擴展接口之一，通過汽車EPB輔助控制器設計的具體項目的應用，重點介紹了基于SPI的CAN控制器與單片機通信的連接方法，及模擬SPI總線時序的軟件實現。

關鍵詞:SPI;MCP2515-I/SO;CAN總線;通信

中圖分類號:TP368.2 文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)26-7508-03

Application of Simulated SPI Based on CAN Controller MCP2515-I/SO

CHEN Xiong-wei

(Shenzhen Municipal Administration Bureau of Organization Affairs， Shenzhen 518035， China)

Abstract: SPI is one of useful expandable serial interface in the application systems of single-chip， with the application in the design of EPB assistant controller， introduces the connection method of communication between CAN controller and single-chip，and realizes the SPI bus simulated by software.

Key words: SPI; MCP2515-I/SO; CAN Bus; Communication

SPI(Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口)是一種高速、全雙工、同步的串行通信接口，廣泛應用于微處理器、微控器和外圍擴展芯片之間的串行連接。SPI接口占用芯片的四根線，節約芯片的I/O引腳，節省PCB的布局空間，具有簡單易用的特性，越來越多的芯片集成了這種通信接口。在具體項目汽車EPB輔助控制器[1]的設計中，應用CAN控制器MCP2515-I/SO的SPI接口，實現了模擬SPI的串口通信。 MCU通過SPI接口對MCP2515-I/SO的時鐘輸入引腳SCK，數據輸出引腳SO，數據輸入引腳SI及片選控制引腳四根線進行數據的控制與傳輸。

1 MCP2515-I/SO芯片介紹

Microchip公司推出的MCP2515-I/SO是一款獨立控制器局域網絡(Controller Area Network， CAN)協議控制器芯片，支持CAN2.0B技術規范并帶有符合工業標準的SPI串行接口，MCP2515-I/SO具備最高40MHz時鐘輸入速度以及一個10MHz高速SPI接口，還可根據前兩個數據字節和11位標識符對報文進行濾波[2]。

MCP2515-I/SO能夠發送和接收標準數據幀以及擴展數據幀，并具有接收過濾和信息管理的功能。MCP2515-I/SO內含三個14 字節的發送緩沖器，2個14字節的接收緩沖器，并且具有靈活的中斷能力、幀屏蔽和過濾、幀優先級設定等特性。MCU可以通過SPI接口來讀取MCP2515-I/SO接收緩沖器里的數據。MCP2515-I/SO對CAN總線的數據發送則沒有限制，只要用MCU通過SPI接口將待發送的數據寫入MCP2515-I/SO的發送緩沖器，然后再調用RTS(發送請求)命令即可將數據發送到CAN總線上。MCU通過使用標準SPI讀寫命令對MCP2515-I/SO寄存器進行讀寫操作。MCP2515-I/SO器件主要由三個部分組成:

1) CAN模塊，包括負責與CAN總線物理接口的CAN協議引擎、發送和接收緩沖器以及它們的驗收濾波寄存器、驗收屏蔽寄存器;

2) 用于配置該器件及其運行的控制邏輯和寄存器，負責實現各種工作模式的設定和操作控制。

3) SPI協議模塊，使用標準的SPI讀/寫指令以及專門的SPI命令來讀/寫所有的寄存器。

2 模擬SPI串口通信的應用

鐘對汽車電子駐車制動的EPB輔助控制器設計可以驅動汽車的EPB系統實現松開、閉合剎車皮的制動操作，系統硬件電路主要包括:MCU、CAN控制器、CAN接收器、按鍵控制、LED指示、PC通信、復位以及電源電路等。由于文章篇幅，僅介紹涉及SPI接口的電路與設計。

2.1 MCP2515-I/SO與MCU連接的硬件電路

系統采用美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS單片機AT89C2051，完全兼容MCS-51指令，具有2K字節FLASH閃速存儲器，128字節內部RAM，6個中斷源，可直接驅動LED[3]。，MCU與CAN控制器MCP2515-IS/O的連接電路如圖1所示。

圖1電路中OFF/ON二個按鈕分別是EPB輔助控制器觸發OFF/ON指令信號的控制開關，也是EPB系統唯一的人機互動界面，指令信號通過汽車內部CAN總線驅動汽車EPB系統執行松開/閉合剎車皮的操作。

LED指示電路選用的紅黃綠三個不同顏色的LED燈對應ON、OFF、SET顯示EPB系統的狀態。MCU輸出高電平驅動LED亮。低電平LED滅。按下ON鍵，發送閉合剎車皮命令，ON燈每秒閃5次，OFF燈滅。按下OFF鍵，發送松開剎車皮命令，OFF燈每秒閃5次，ON燈滅。SET燈具有多種狀態亮燈，分別表示EPB通信故障、沒有故障、發送命令等意義。

2.2 SPI總線模式及軟件模擬

SPI總線模式的數據是以字節為單位進行傳輸的，每字節為位，每個命令或者數據塊都是字節的整數倍。每次傳輸開始于信號的下降沿，結束于其上升沿。傳輸過程中命令和數據由SCK和片選信號控制。

由于AT89C2051單片機沒有SPI接口，與CAN控制器MCP2515-I/SO進行通信時，需要使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時鐘SCK、片選信號、數據輸入SI及數據輸出SO。MCU與SPI接口相連，MCU輸出低電平，使能MCP2515-I/SO。MCU送來的外部數據和命令通過SI引腳傳送到MCP2515-I/SO器件中，且數據在SCK時鐘信號的上升沿傳送進去，在SCK的下降沿通過SO引腳傳送出給MCU。下面是進行一個字節的操作時序與程序。時序圖如圖2所示。

MCU通過SPI向CAN控制器寫入一個字節的子程序如下:

void _MCP2515-I/SO_writebyte(unsigned char SData)

{ // SPI 發送數據， 循環發送8個bit位， 高位在前， 低位在后

unsigned char i， temp_sdata;

CY = 0;

MCP2515-I/SO_SCK = 0;

temp_sdata = SData;

for(i=0; i<8; i++)

{temp_sdata <<= 1;

MCP2515-I/SO_SI = CY;

MCP2515-I/SO_SCK = 1;

MCP2515-I/SO_SCK = 0;

}}

MCU通過SPI從CAN控制器賣取一個字節的子程序如下

unsigned char _MCP2515-I/SO_readbyte(void)

{// SPI 讀取指定地址的數據， 循環接收8個bit位， 高位在前， 低位在后

unsigned char i，temp_rdata=0;

for(i=0; i<8; i++)

{temp_rdata <<= 1;

MCP2515-I/SO_SCK = 1;

if(MCP2515-I/SO_SO)

temp_rdata++;

MCP2515-I/SO_SCK = 0;

}return(temp_rdata);//返回接收到一個字節的數據

}

2.3 通信模塊的軟件設計

SPI接口向CAN控制器發送、讀取數據的通信模塊[4]是系統軟件設計的核心。EPB輔助控制器使用CAN協議進行數據傳輸，當向汽車CAN總線發送OFF/ON指令時，MCU通過SPI接口把OFF/ON指令發送到CAN控制器發送緩沖器，然后能過MCP2515-I/SO的發送命令，由CAN控制器發送到汽車CAN總線上。

SPI接口發送數據到MCP2515-I/SO時，將引腳置為低電平，隨后向MCP2515-I/SO依次發送寫指令、地址碼和至少一個字節的數據。發送一個字節數據的時序如圖3所示，void MCP2515-I/SO_write(unsigned char Addr， unsigned char SData) 是實現該功能的程序代碼。

void MCP2515-I/SO_write(unsigned char Addr， unsigned char SData)// Addr: 寫入地址SData : 寫入數據

{// SPI 向指定地址寫入一個數據， 循環發送8個bit位， 高位在前， 低位在后

MCP2515-I/SO_CS = 0;

_MCP2515-I/SO_writebyte(0x02);//MCP2515-I/SO 命令字0x02 是寫指令字節

_MCP2515-I/SO_writebyte(Addr);//調用單字節寫程序，寫入地址

_MCP2515-I/SO_writebyte(SData);//調用單字節寫程序，寫入數據

MCP2515-I/SO_CS = 1;

}

由于EPB控制器接在汽車CAN總線上，會接收到大量的數據，在所有數據中都包含了自身CAN節點的信息。需要調用寫指令，對MCP2515-I/SO進行設置。幀過濾模塊程的作用是把這些數據中包含的節點信息解析出來，并進行判斷，以確定節點的ID以及所反饋的信息。當CAN控制器從CAN總線上接收到信息時，MCP2515-I/SO內將會對MCU產生一個收到數據的中斷。MCU響應中斷后，將引腳置為低電平，隨后向MCP2515-I/SO依次發送讀指令和8位地址碼。在接收到讀指令和地址碼之后，MCP2515-I/SO會將指定地址寄存器中的數據通過SO引腳移出。讀取一個字節數據的時序如圖4所示，unsigned char MCP2515-I/SO_read(unsigned char Addr) 是實現該功能的程序代碼。

unsigned char MCP2515-I/SO_read(unsigned char Addr)// Addr 指定地址

{ // SPI 讀取指定地址的數據， 循環接收8個bit位， 高位在前， 低位在后

unsigned char temp_rdata;

MCP2515-I/SO_CS = 0;

_MCP2515-I/SO_writebyte(0x03); // MCP2515-I/SO 命令字0x03是讀指令字節_MCP2515-I/SO_writebyte(Addr); //調用單字節寫程序，寫入地址

temp_rdata = _MCP2515-I/SO_readbyte(); //調用單字節讀程序，讀取數據

MCP2515-I/SO_CS = 1;

return(temp_rdata);//返回數據

}

MCP2515-I/SO每一數據字節處理后，器件內部的地址指鐘將自動加一以指向下一個地址。當進行多字節的發送與讀取數據時，通過MCU向MCP2515-I/SO提供持續的時鐘脈沖，可以對下一個連續地址寄存器進行讀、寫操作。通過拉高引腳電平結束連續的讀、寫操作。

3 結束語

文章介紹了帶有SPI接口的CAN控制器芯片MCP2515-I/SO的特性，通過軟件模擬SPI總線接口，實現與MCU之間的數據傳輸，給出C語言編寫的SPI接口的讀寫程序。在實際的汽車BENZ S221的電子駐車制動試驗中，實現了與汽車ECU的通信及松開剎車片、閉合剎車片的判斷與操作。該方法同樣適用于其它的可拓展的SPI芯片、單片機、ARM、微型計算機等。

參考文獻:

[1] 崔玥.基于CAN總線的電子駐車制動系統[D].吉林大學碩士學位論文，2007:12-13.

[2] Microchip Technology lnc.MCP2515-I/SO Datasheets[Z]，2005.

[3] 深圳市中源單片機發展有限公司.AT89C2051 Datasheets[Z]，2007.

[4] 王亮，杜洪亮，魏衡華.基于多主型SPI接口的CAN總線中繼器設計[J].自動化與儀表，2009(3):20-21.