從原理到實踐：一文了解如何用VT2710實現(xiàn)SPI仿真

現(xiàn)如今，隨著汽車電子的發(fā)展，串行通信在ECU上也被廣泛應(yīng)用，我們常見的串行通信有：RS485、RS232、PSI5、SPI等，每一種串行通信都有其自身的特點。本文主要就基于VT2710實現(xiàn)SPI仿真進行相關(guān)的介紹。

VT2710介紹
VT2710是Vector 旗下的一款串行通信板卡。VT2710 提供一套測試ECU或傳感器串行通信通道所需的接口。該模塊可用于模擬總線通道上傳感器和ECU的行為。此外，還可以監(jiān)控串行總線上的通信。VT2710可用于控制試驗臺上的外圍設(shè)備。
如下圖所示，VT2710模塊可以同時處理兩組串行接口，包括汽車傳感器相關(guān)的PSI5和SENT接口。以及支持通用型數(shù)字接口，SPI，I2C，UART，RS232，RS422，RS485或LVDS等諸多通信協(xié)議。下面，將就基于VT2710實現(xiàn)SPI仿真的方式展開講解。

圖1-VT2710串行通信卡

SPI
SPI，是串行外設(shè)接口“Serial Peripheral Interface”的簡寫，這是一種全雙工同步串行的通信協(xié)議。
圖2-SPI多從機模式

SPI通信原理其實很簡單，至少需要4根線，它們是MISO（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入）、MOSI（主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）和CS/SS（片選）。

MISO（ Master Input Slave Output）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；

MOSI（Master Output Slave Input）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；

SCLK（Serial Clock）：時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；

CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片選線，用于多從機時主設(shè)備與從設(shè)備進行選擇。當主設(shè)備要和某個從設(shè)備進行通信時，主設(shè)備需要先向?qū)?yīng)從設(shè)備的片選線上發(fā)送使能信號，（大多數(shù)是將電平拉低），表示選中該從設(shè)，主芯片對此從芯片的操作才有效。

圖3-通信過程
其通信過程也很容易理解。

首先，主設(shè)備發(fā)起片選信號，將CS/SS拉低（一般情況），啟動通信。然后，主設(shè)備通過發(fā)送時鐘信號，來告訴從設(shè)備進行發(fā)數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)的操作。值得關(guān)注的是，通信過程中有四種數(shù)據(jù)采樣的模式，由極性（CPOL）和相位（CPHA）來決定，CPOL為“0”則代表時鐘信號空閑時為低電平，為“1”則空閑時為高電平，相位的“0”、“1”則分別代表在第一個跳變沿傳輸數(shù)據(jù)和在第二個跳變沿傳輸數(shù)據(jù)。以上極性和相位排列組合為以下四種模式：

①CPOL=0,CPHA=0：空閑時低電平，第一個跳變沿發(fā)數(shù)據(jù)

②CPOL=0,CPHA=1：空閑時低電平，第二個跳變沿發(fā)數(shù)據(jù)

③CPOL=1,CPHA=0：空閑時高電平，第一個跳變沿發(fā)數(shù)據(jù)

④CPOL=1,CPHA=1：空閑時高電平，第二個跳變沿發(fā)數(shù)據(jù)

圖4-四種工作模式
主設(shè)備發(fā)送片選信號選中從設(shè)備，并且發(fā)送時鐘信號后。緊接著主機（Master）將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)MOSI信號線發(fā)送給從機（Slave），從機也將數(shù)據(jù)經(jīng)MISO信號線返回給主機。SPI通信協(xié)議還具有高速傳輸、簡單靈活、支持和多從設(shè)備的連接，具有較高的靈活性、雙向通信、低功耗的特點。
以上就是SPI的基本通信原理，下面介紹一下上位機軟件配置。
在上位機軟件—CANoe中，有一個SPI Basic的示例工程。在File→Sample Configurations下的SPI Basic工程中，可以實現(xiàn)SPI基礎(chǔ)的傳輸接收等基本通信。下面簡單介紹一下該工程的使用和配置。工程位置如下圖所示。
圖5-SPI Basic工程
首先，將Master和Slave的MISO、MOSI、CS、SCLK對應(yīng)連接。打開示例工程，確認通道是否匹配好。啟動工程，在對應(yīng)的輸入窗口下輸入數(shù)據(jù)即可完成收發(fā)。
圖6-SPI Basic工程實例關(guān)于SPI的配置都在Hardware窗口下的Protocol Configuration Sensors模塊下。
圖7-SPI 配置icon

Master配置

POLELINK

1）Clock polarity when idle:指空閑時的SCLK極性

2）Clock frequency:指時鐘頻率

3) Wait after CS active : 主機通過CS選中從機后的等待時間

4）Wait before CS inactive : CS片選在待命狀態(tài)下的等待時間

圖8-Master配置窗口

Slave配置

POLELINK

1）General Setting:此模式選擇項包含Low Active和High Active，Low Active用于一般復(fù)雜度的通信需求，High Active用于高復(fù)雜度的通信需求。

2）Clock Setting：極性和相位選項，CPOL為極性，CPHA是相位。

圖9-Slave配置窗口至此，就是我們在上位機軟件中的示例工程以及對Master和Slave的一個基本的配置。

SPI多從機模式的配置

POLELINK

保證主機、從機連接沒有問題，在上位機軟件CANoe的Hardware窗口下的Protocol Configuration Sensors模塊下，右擊Master→Add Slave，具體參數(shù)的配置參照上文即可。值得關(guān)注的是，每塊VT2710可以提供2個獨立通道的四線SPI通訊，最多支持5路片選，兩個通道至多可支持10個從機。

圖10-Slave添加
圖11-Slave

菊花鏈
在一個主機和多個從機的SPI 系統(tǒng)中，通常采用專門的片選信號來尋址從機。隨著從機數(shù)量不斷增加，片選線也隨之增多。這種情況將給電路板帶來很大的挑戰(zhàn)。這時候，使用菊花鏈的連接方式是更好的選擇。
菊花鏈，顧名思義，這種連接方式就像是花環(huán)，進行通信的過程中，在設(shè)備信號以串行的方式從一個設(shè)備依次傳到下一個設(shè)備，不斷循環(huán)直到數(shù)據(jù)到達目標設(shè)備的方式被稱為菊花鏈。在菊花鏈的SPI系統(tǒng)中，只采用一個SS (或者CS) 信號，所有從機接收同一個時鐘信號。只有鏈上的第一個從機(SLAVE 1) 從微控制器直接接收命令。其他所有從機都從鏈上前一個從機的輸出引腳獲得其數(shù)據(jù)。要保證菊花鏈正常工作，每一個從機就必須能在給定的命令周期讀入命令，而在下一個命令周期從數(shù)據(jù)輸出引腳輸出同樣的命令。
下圖為菊花鏈連接方式。在菊花鏈模式下，各個從機一個接一個地連接起來。主機通過所有連接的從機傳輸數(shù)據(jù)。為此，主機的MOSI輸出連接到第一個從機的MOSI輸入，下一個從機的MISO再連接到下一個從機的MISO，以此類推。最后一個從機的MISO輸出再次連接回主機。所有從機的芯片選擇信號在這里相互連接。采用菊花鏈的連接方式，優(yōu)點在于節(jié)約空間，釋放總線壓力。缺點就是因為是信號串行傳輸，所以一旦數(shù)據(jù)鏈路中的某設(shè)備發(fā)生故障的時候，它下面優(yōu)先級較低的設(shè)備就不可能得到服務(wù)了。
圖12-菊花鏈的連接方式

BMS系統(tǒng)中菊花鏈實例
目前，國內(nèi)的BMS設(shè)備主要分為兩種。第一種是以分布式架構(gòu)為主，BMS分為主板和從板，主從板上都有微型的控制器，用作收集從板采集到的電池電壓和溫度數(shù)據(jù) ，通過CAN總線傳給主板。第二種是采用菊花鏈技術(shù)的BMS集中式架構(gòu)。這種架構(gòu)只在BMS主板上保留微控制器，原本的從板改成單純圍繞AFE芯片功能的小板，AFE采集的信息通過差分隔離信號的方式直接傳送給主板。主板完成BMS主要的保護和電池管理功能。
圖13-傳統(tǒng)方式到菊花鏈的演變

BMS的主板上的微控制器連接SPI串行通信接口，通過通信轉(zhuǎn)換芯片將信號轉(zhuǎn)換為差分信號。主板以差分信號的形式與第一個從板進行通信，差分信號從第一個從板出來后，依次進入后序的從板，這樣主板最終得以與所有從板通信。菊花鏈在BMS系統(tǒng)中就是作為這樣一個主、從板之間的橋梁而存在。菊花鏈的仿真可以基于 VT的 FPGA板卡實現(xiàn)， 通過Simulink構(gòu)建菊花鏈仿真模型并運行在FPGA板卡中，從而實現(xiàn)用菊花鏈的方式完成主板從、板之間通信的功能。

總結(jié)

VT2710是一款為ECU和N個數(shù)字傳感器提供硬件接口的功能型板卡。希望通過本文的介紹，大家對VT2710串行通信板卡和SPI通信協(xié)議有了更深入的了解。如果您對VT2710板卡亦或是SPI通信協(xié)議或者想要了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎咨詢北匯信息，感謝觀看！北匯信息作為Vector中國的合作伙伴，始終專注于汽車電子領(lǐng)域的新技術(shù)和新產(chǎn)品，為整車廠和零部件企業(yè)提供完整的研發(fā)、測試解決方案，為工程師在汽車領(lǐng)域提供“趁手裝備”！我們不僅提供相應(yīng)的工具和技術(shù)支持服務(wù)及培訓(xùn)，還針對不同的應(yīng)用提供相應(yīng)的解決方案，助力中國客戶的研發(fā)效率提升。歡迎聯(lián)系北匯信息，我們將根據(jù)不同需求為您提供針對性的高效、靈活、穩(wěn)定的解決方案！