第二章 总线简介及分析
第二章 总线简介及分析
2.1 CAN、SPI、RS-232总线简介
CAN、SPI、RS-232总线有着各自的特点，在不同的场合根据需求选择合适的总线通信是系统联网的前提条件。因此，了解总线的结构特征是进行模块设计的首要任务，通过对总线的多方了解分析其各种通信参数，结合实际的需求分析确定系统总线方案的选型，并对比三种总线的通信特征，为实现总线转换做好前期的准备。 2.1.1 CAN总线简介
CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在欧洲已是汽车网络的标准协议。
CAN总线是一种串行数据通信协议，其最高波特率可达1MB/S，因此具有高的传输速率。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其对通信数据块进行编码，可以多主方式工作，可在各节点之间实现自由通信；采用非破坏性仲裁技术，有效避免了总线冲突；采用短帧结构，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短。
较之目前许多基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：
1）网络各节点之间的数据通信实时性强。 2）缩短了开发周期。
3）完成对通信数据的帧处理。
4）使网络内的节点个数在理论上不受限制。
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石河子大学学士学位论文
5）可在各节点之间实现自由通信。 6）结构简单。
综合来看，CAN总线在通信组网方面具有极大的优势，可以减少组网过程中的工作量，大大的提高工作效率。 2.1.2 SPI总线简介
串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口，Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可以同时发出和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线CS。四种引脚的功能如下：
● ● ●
[2]
SCK：时钟信号，由主设备产生；
MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入； MISO：主设备数据输入，从设备数据输出； ：从设备使能信号，由主设备控制。
●CS当SPI工作时，移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。其典型系统框图如图2-1所示。
图2-1 SPI系统框图
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SPI主要特点有：
● ● ● ● ● ●
可以同时发出和接收串行数据； 可以当作主机或从机工作； 提供频率可编程时钟； 发送结束中断标志； 写冲突保护； 总线竞争保护等。
SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI总线接口时序如图2-2及2-3所示
[3]
。
图2-2 CPHA=0时SPI总线数据传输时序
图2-3 CPHA=1时SPI总线数据传输时序
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2.1.3 RS-232总线简介
RS-232C是一个已制定很久的标准，最初是为远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备DCE（Data Communication Equipment)而制定的。RS-232C接口最大传输速率为20Kbps，线缆最长为15米。RS-232C接口通常被用于将电脑信号输入控制，当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。
EIA-RS-232C 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD上：
逻辑1(MARK)=-3V～-15V； 逻辑0(SPACE)=+3～+15V。
以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码），逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；
EIA RS-232C 与TTL转换。EIA RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTL与EIA双向电平转换[2]。
2.2 CAN总线特性分析
2.2.1 CAN总线的特点及优势
在上一节中已经对CAN总线做了一个简要的介绍，CAN总线作为一种串行通信协议，有着其它总线协议所不具有的一些特征。下面开始从技术参数方面分析CAN总线规范。
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。使网络内的节点个数在理论上不受限制。
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CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码由11位或29位二进制数组成，因此可以定义不同的数据块，这种按照数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。CAN总线有如下基本特点：
●●
废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作； 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据，优先级低的节
点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；
●
采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概
率低，重新发送的时间短；
●
每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于
在高干扰环境下使用；
●
节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，
以使总线上其他操作不受影响；
●
可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接收数据。
分析以上CAN总线的特点总结得到其主要优点有：
1）废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作。这样的方式减小了数据通信过程中寻址的复杂度，可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文，同时这种工作方式下避免了象单片机多机通信情况下的只能有一个主机的缺陷，这样更有利于数据的传输管理。
2）具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。这些特点是串口通信不能相比拟的——串口通信受到传输距离的限制，而传输速度也是有限的，继而也就影响到了传输的实时性。抗干扰能力以及经济上的考虑CAN总线也是一个不错的选择。
3）采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。货场的工作环境比较恶劣，尤其是噪声比较大，这在初期的调研中得到或验证，因此系统的设计必须考虑到噪声干扰的因素，而CAN总线的特性恰恰解决了这一问题，它能够适应这种高噪声的恶劣环境。
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