《基于構件化的嵌入式系統(tǒng)設計》 課件 項目7、8 利用SPI實現(xiàn)多機串行通信、利用CAN實現(xiàn)多機通信

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用SPI實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內

容

項目7利用SPI實現(xiàn)多機串行通信【項目導讀】

SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）是同步串行總線接口，已經成為一種工業(yè)標準。通過SPI，可以實現(xiàn)多個MCU之間的串行通信，也可以實現(xiàn)MCU與其他帶有SPI接口的外部器件（如A/D轉換器、D/A轉換器、LCD、OLED等）之間的串行通信?！緦W習目標】（1）理解SPI的通用知識，包括SPI的相關概念、SPI的通信過程與通信時序。（2）熟悉MCU的SPI主要特性和引腳，掌握MCU的SPI底層驅動構件的使用方法。（3）能夠利用MCU的SPI底層驅動構件頭文件進行SPI多機通信的應用層程序設計與測試。*（4）熟悉MCU的SPI底層驅動構件源文件的設計方法。任務7.1理解SPI的通用知識7.1.1SPI的相關概念

在SPI應用系統(tǒng)中，負責啟動SPI通信和產生SPI時鐘信號的器件是主器件，其他器件是從器件。SPI可以工作于單主單從、一主多從或多主方式，其中最常用的SPI單主單從全雙工通信應用系統(tǒng)如圖所示。

MISO（MasterInputSlaveOutput）：主輸入/從輸出數(shù)據。

MOSI（MasterOutputSlaveInput）：主輸出/從輸入數(shù)據。

SCK（SerialClock）：由主器件產生和輸出串行時鐘。通信速率由主器件控制，在主器件啟動一次數(shù)據傳送的過程中，在SCK引腳輸出自動產生的8個時鐘周期信號，SCK信號的一個跳變進行一位數(shù)據移位傳輸。

NSS（SlaveSelect）：從器件選擇引腳，低電平有效。作為主器件，其NSS引腳置為高電平。作為從器件，其NSS引腳置為低電平，表示主器件選中了該從器件。任務7.1理解SPI的通用知識7.1.2SPI的通信過程與通信時序

時鐘信號涉及時鐘極性和時鐘相位的問題，時鐘極性決定了當沒有數(shù)據傳輸（空閑）時，時鐘信號SCK的空閑狀態(tài)電平是高電平還是低電平。時鐘相位決定了在時鐘信號SCK的第1個邊沿或第2個邊沿捕獲和鎖存數(shù)據。圖7-2給出了CPOL和CPHA的4種組合對應的SPI通信時序。

注意：SPI主器件和從器件必須使用相同的時鐘極性和時鐘相位，才能正常通信。

【知識鞏固】

（1）SPI通信涉及幾個引腳？分別代表什么含義？

（2）如何區(qū)分SPI主器件和從器件？任務7.1理解SPI的通用知識任務7.2掌握MCU的SPI底層驅動構件使用方法7.2.1MCU的SPI主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

2個SPI模塊：SPI1和SPI2。既支持全雙工通信，也支持半雙工通信和單工通信。支持單主單從、一主多從和多主通信方式?？蛇x擇4種不同的時鐘極性和時鐘相位組合。支持SPI軟件設置NSS引腳電平，設置主從模式。SPI1使用的引腳，見

spi.h中的宏定義任務7.2掌握MCU的SPI底層驅動構件使用方法7.2.2MCU的SPI底層驅動構件的組成及使用方法SPI具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，SPI發(fā)送是主動任務，不必采用中斷方式；而SPI接收是被動任務，為了確保及時接收到對方發(fā)送來的每幀數(shù)據，一般采用中斷方式。

SPI底層驅動構件由spi.h頭文件和spi.c源文件組成，若要使用SPI底層驅動構件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅動構件）文件夾中，即可實現(xiàn)對SPI的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，spi.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而spi.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉spi.h頭文件的內容，即可使用SPI底層驅動構件進行編程?！緦W以致用】

根據spi.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調用語句。

（1）將SPI1初始化主模式，波特率為1000kbit/s。

（2）通過SPI1發(fā)送1個字符'A'。

（3）通過SPI1發(fā)送保存在數(shù)組str中的字符串"ABCDEFG"。

（4）使能SPI2接收中斷。

（5）通過SPI2接收1個字符，將其保存至變量re_data中，并將接收標志保存至變量re_flag中。任務7.2掌握MCU的SPI底層驅動構件使用方法7.2.2MCU的SPI底層驅動構件的組成及使用方法任務7.3SPI多機通信的應用層程序設計

用同一個STM32F103C8T6芯片中的SPI1（作為主器件）和SPI2（作為從器件），在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構件）的文件，以實現(xiàn)：SPI1向SPI2發(fā)送數(shù)據，SPI2接收數(shù)據并通過UART將接收到的數(shù)據發(fā)送至PC顯示。1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義字符數(shù)組（存放待發(fā)送的字符型數(shù)據）；

初始化（UART、SPI）；使能SPI2接收中斷；

在主循環(huán)中，SPI1通過SPI發(fā)送函數(shù)向SPI2發(fā)送數(shù)據在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結】請畫出上述程序的設計和執(zhí)行流程圖。3）中斷服務程序源文件isr.c：在SPI2接收中斷服務程序中，通過SPI接收函數(shù)接收由

SPI1發(fā)來的數(shù)據，并通過UART將其發(fā)送至PC顯示

【學以致用與創(chuàng)新】實現(xiàn)兩個MCU之間的SPI通信功能，其中一個MCU作為SPI主器件，而另一個MCU作為SPI從器件。

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用SPI實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用CAN實現(xiàn)多機通信教

材

內

容

項目8利用CAN實現(xiàn)多機通信【項目導讀】

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網）是德國Bosch公司針對汽車電子領域開發(fā)的具有國際標準的現(xiàn)場總線，由于CAN具有很強的可靠性、安全性和實時性，目前CAN廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制、農業(yè)控制、機電產品等領域的分布式測控系統(tǒng)中。利用CAN可以很方便地實現(xiàn)多機聯(lián)網?！緦W習目標】（1）理解CAN的通用知識，包括CAN的相關概念、硬件結構、通信原理和優(yōu)點。（2）熟悉MCU的CAN主要特性和引腳，掌握MCU的CAN底層驅動構件的使用方法。（3）能夠利用MCU的CAN底層驅動構件頭文件進行多機之間的CAN應用層程序設計，并掌握CAN通信功能測試方法。*（4）熟悉MCU的CAN底層驅動構件源文件的設計方法。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.1CAN系統(tǒng)的總體構成和CAN節(jié)點的硬件結構120Ω120Ω負載電阻（終端電阻）的作用是防止反射波干擾CAN系統(tǒng)主要由若干個節(jié)點、兩條數(shù)據傳輸線（CAN-H和CAN-L）及負載電阻組成。1、CAN系統(tǒng)的總體構成任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.1CAN系統(tǒng)的總體構成和CAN節(jié)點的硬件結構2、CAN節(jié)點的硬件結構CAN節(jié)點的硬件結構主要由傳感器、MCU、CAN控制器、CAN收發(fā)器、執(zhí)行器組成。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理1、CAN的網絡結構：CAN控制器硬件實現(xiàn)CAN收發(fā)器硬件實現(xiàn)

CAN應用系統(tǒng)軟件設計的主要任務是對其應用層程序進行設計應用層、數(shù)據鏈路層、物理層——實時性強任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理2、CAN的數(shù)據傳輸流程數(shù)據打包并/串轉換數(shù)字信號→電壓信號邊說邊聽電壓信號→數(shù)字信號驗收過濾串/并轉換數(shù)據解包ID

+長度+相關數(shù)據CRC應答信號任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理3、CAN總線電壓信號與數(shù)字信號之間的關系CAN收發(fā)器11位以上的隱性位：空閑CAN-H與CAN-L的電壓值具有何特點？任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據優(yōu)先級、數(shù)據的仲裁

CAN為多主工作方式，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向CAN總線上發(fā)送數(shù)據，而不分主從。

若有多個節(jié)點同時向CAN總線上發(fā)送數(shù)據，那么在CAN系統(tǒng)中是如何實現(xiàn)數(shù)據的仲裁（決定哪個數(shù)據先發(fā)，哪個數(shù)據后發(fā)）？——需要先理解幀ID和數(shù)據優(yōu)先級的關系

節(jié)點發(fā)送的數(shù)據包實時性要求越高，優(yōu)先級越高，對應的幀ID就越小。

原理：當多個節(jié)點同時向總線上發(fā)送數(shù)據時，總線上的結果是這多個數(shù)據“邏輯與”的值。節(jié)點A發(fā)送數(shù)據:

0節(jié)點B發(fā)送數(shù)據：

10—顯性位1—隱性位0優(yōu)先級高！總線上顯示數(shù)據：

0在實際應用時，應該按照數(shù)據包的優(yōu)先級，給每個數(shù)據包分配一個唯一的ID。注意：CAN協(xié)議要求ID的高7位不能同時為1。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據優(yōu)先級、數(shù)據的仲裁

當一個節(jié)點向CAN總線上發(fā)送數(shù)據包時，首先向總線上發(fā)送自己的幀ID。

在發(fā)送幀ID的過程中，如果一個節(jié)點向總線上發(fā)送的數(shù)據和從總線上接收到的數(shù)據一致，那么該節(jié)點就可以繼續(xù)向總線上發(fā)送數(shù)據；否則，該節(jié)點就要停止向總線上發(fā)送數(shù)據。

3個節(jié)點通過幀ID進行優(yōu)先級競爭的結果：節(jié)點1首先獲得總線使用權；在節(jié)點1將其數(shù)據包發(fā)送完畢后，若總線處于空閑狀態(tài)，則系統(tǒng)會自動使節(jié)點2和節(jié)點3繼續(xù)通過發(fā)送幀ID重新競爭總線的使用權（自動重發(fā)）。

在仲裁過程中，不會出現(xiàn)不同優(yōu)先級數(shù)據包之間的相互破壞——“非破壞性仲裁”?！緦W以致用】CAN通信優(yōu)先級分析及應用。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理5、CAN驗收過濾功能的實現(xiàn)【學以致用】

表8-1：CAN驗收過濾應用分析。過濾器標識符寄存器：100101102

過濾器掩碼寄存器：

-----

有關有關發(fā)送：101+數(shù)據A？？接收放棄接收接收

放棄接收發(fā)送：102+數(shù)據A發(fā)送：***+數(shù)據A

過濾器掩碼寄存器：

-----

無關無關例：三個節(jié)點：A（發(fā)送）、B（接收）、C（接收）

節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點CCAN-BUS

幀ID過濾器掩碼寄存器：

無關

-----

-----？接收過濾器標識符寄存器：100101102例：三個節(jié)點：A（接收）、B（發(fā)送）、C（發(fā)送）

節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點CCAN-BUS發(fā)送：***+數(shù)據B

幀ID發(fā)送：***+數(shù)據C

幀ID

通過CAN控制器中過濾器的標識符寄存器和掩碼寄存器實現(xiàn)?！c對點、一點對多點（廣播式）、多點對一點任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理6、CAN數(shù)據幀的組成

在CAN節(jié)點之間的通信中，若將數(shù)據從一個節(jié)點的發(fā)送器傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點的接收器，則必須發(fā)送數(shù)據幀。發(fā)送方：寫1接收方正確接收：寫0總線值：0由CAN控制器硬件自動處理幀內應答實時性強由CAN控制器硬件自動完成有效數(shù)據：0~8字節(jié)，由用戶通過編程設定主要包括有效數(shù)據的長度，由用戶通過編程設定：0~8字節(jié)

主要包括幀ID和遠程發(fā)送請求位（RTR），由用戶通過編程設定。

由CAN控制器硬件自動完成由CAN控制器硬件自動完成

標準格式幀的ID為11位，擴展格式幀的ID為29位。RTR=0，表示該幀為數(shù)據幀任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理7、CAN的波特率（各節(jié)點必須使用相同的波特率才能正常通信）8、CAN-H與CAN-L中的“H”和“L”的真正含義CAN-HCAN-L任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.3CAN的優(yōu)點——具有很強的高可靠性、安全性和實時性（1）采用雙絞線和差分電壓機制——“既能防人，又不害人”（2）采用“邊說邊聽”方式的非破壞性仲裁機制（3）采用短幀格式，核心的有效數(shù)據最多8字節(jié)——高實時性和可靠性（4）采用先進的循環(huán)冗余校驗——高可靠性（5）采用幀內應答機制——高實時性任務8.1

理解CAN的通用知識

【知識鞏固】

（1）畫出CAN節(jié)點的硬件結構示意圖。

（2）簡述CAN的數(shù)據傳輸流程。

（3）CAN的幀ID有何作用？幀ID與數(shù)據優(yōu)先級之間的關系？CAN是如何實現(xiàn)仲裁的？

（4）簡述CAN的驗收過濾原理。

（5）簡述CAN的主要優(yōu)點。任務8.2掌握MCU的CAN底層驅動構件使用方法8.2.1MCU的CAN主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

1個CAN模塊：CAN1。

有3種主要的工作模式：初始化、正常和睡眠。

硬件復位后，CAN進入睡眠模式，以降低功耗?？赏ㄟ^軟件請求CAN退出睡眠模式而進入初始化模式，在初始化模式中，完成CAN軟件初始化（設置工作方式、波特率，配置過濾器）。

一旦初始化完成，可通過軟件請求CAN進入正常模式，這樣才能在CAN總線上進行同步，并開始接收和發(fā)送數(shù)據。CAN1使用的引腳，見

can.h中的宏定義接收數(shù)據引腳：CAN_RX發(fā)送數(shù)據引腳：CAN_TX任務8.2掌握MCU的CAN底層驅動構件使用方法8.2.2MCU的CAN底層驅動構件的組成及使用方法CAN具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，CAN發(fā)送是主動任務，不必采用中斷方式；而CAN接收是被動任務，為了確保及時接收到對方發(fā)送來的每幀數(shù)據，CAN接收一般采用中斷方式。

CAN底層驅動構件由can.h頭文件和can.c源文件組成，若要使用CAN底層驅動構件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅動構件）文件夾中，即可實現(xiàn)對CAN的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，can.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、CAN通信的數(shù)據包結構體聲明、對外接口函數(shù)的聲明，而can.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。