CN115883675A - 一种可扩展的spi总线与can总线数据转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：利用通信主机和一个以上的转换模块作为运行平台，具体步骤如下：S1，扩展通信架构设计；S2，SPI报文格式设计；S3，通信机制设计；S4，转换模块按统一格式完成SPI报文与CAN数据帧的转换；本发明的方法，通过建立数据缓冲区，解决了CAN总线缓冲区较小以及SPI总线与CAN总线速度不匹配的问题，提高了数据传输可靠性；通过设计数据包封装协议，实现了CAN数据包的透明传输，增加了协议转换的通用性；根据SPI通信特点设计SPI双向通信机制，实现通过SPI总线的多路CAN数据包传输。

Description

一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法。

背景技术

CAN属于总线式异步串行通信网络，具有可靠性高、错误检测能力强的优点，传输距离可达10千米，是国际上应用最广泛的现场总线之一。SPI总线是一种高速同步串行通信总线，通信速率可达50M，SPI总线具有传输速度快、结构简单、扩展性强的特点在芯片间通信中得到了广泛应用，但因SPI为同步串行总线，可靠性较低、传输距离短。

部分嵌入式芯片集成了1到2路CAN控制器，并且需要外接CAN收发器。在应用中可能遇到在CAN资源数量不足，或外接CAN收发器受限的情况，可通过SPI总线扩展CAN接口。通过SPI总线扩展CAN接口，可以结合SPI传输速度快以及CAN传输距离远的优点，

目前应用较多的是由硬件直接实现协议的转换，但该方法存在以下局限性：

（1）往往只能实现1路SPI与1至2路CAN接口的协议转换，不具备扩展性或扩展性不足，当需要多路CAN接口时，需要占用多路SPI资源，成本较高，甚至可能无法实现。

（2）无法对CAN接口进行灵活配置，往往只能按固定配置工作，导致数据转换欠缺灵活性，应用条件较严苛，适用性较低。

（3）硬件实现时难以进行充分封装，因此主机操作SPI接口时，需要遵守硬件时序，并实现复杂的逻辑，编程实现难度较大。

（4）难以对SPI的接口报文进行必要的封装，无法解决SPI的通信可靠性较低的问题。

（5）存在高速SPI总线与CAN总线速率不匹配的问题。

（6）硬件设计固化后，修改难度较大，维护成本高。

（7）需要增加可编程芯片或者专用芯片，成本较高，线路复杂。

发明内容

本发明提供一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，本发明的方法，通过建立数据缓冲区，解决了CAN总线缓冲区较小以及SPI总线与CAN总线速度不匹配的问题，提高了数据传输可靠性；通过设计数据包封装协议，实现了CAN数据包的透明传输，增加了协议转换的通用性；根据SPI通信特点设计SPI双向通信机制，实现通过SPI总线的多路CAN数据包传输。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，利用通信主机和一个以上的转换模块作为运行平台，具体步骤如下：

S1，扩展通信架构设计：

通信主机与一个以上的转换模块间通过SPI总线通信，转换模块通过CAN总线与外部设备连接，利用SPI总线一主多从工作方式，将通信主机软件设置为主机模式，转换模块软件设置为从机模式，通过SPI主机连接多个从机方式，通信主机通过多个转换模块搭建通道，实现SPI扩展多路CAN接口功能，对各个通道进行编号。

S2，SPI报文格式设计：

根据SPI总线的通信方式，设计统一的SPI报文格式；

S3，通信机制设计：

通信主机通过转换模块实现与多路CAN设备的通信，在转换模块内增加SPI报文缓冲区。

S31，数据发送时，通信主机将SPI报文发送至各转换模块，各转换模块将SPI报文转换为CAN数据帧，通过CAN接口对外发送。

S32，数据接收时，各转换模块通过CAN接口接收外部数据，转换为SPI报文并存入缓冲区，在通信主机读取数据时，向通信主机发送SPI报文。

S4，转换模块按统一格式完成SPI报文与CAN数据帧的转换。

进一步的，步骤S1具体包括扩展通信架构通信主机和转换模块的功能分配如下：

（1）通信主机配置各个通道的转换模块，并监控转换模块状态。

（2）通信主机封装需发送至各个通道的SPI报文，并处理由各个通道接收到的SPI报文。

（3）转换模块完成CAN数据帧的接收和发送，以及CAN数据帧与SPI报文的相互转换。

进一步的，通信主机与转换模块间通过SPI总线通信具体包括如下内容：

（1）控制报文，包括转换模块配置指令、状态查询指令和数据读取指令，配置指令实现转换模块配置，包括通道编号、CAN工作模式、CAN波特率、CAN屏蔽方式及屏蔽码；状态查询指令获取各转换模块的状态信息；数据读取指令读取转换模块的数据帧。

（2）状态报文，将转换模块的工作状态信息封装成状态报文，反馈给通信主机。

（3）数据报文，将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据封装成数据报文，实现CAN数据帧与SPI报文相互转换。

进一步的，所述SPI报文格式具体包括前导序列、报文段和结尾序列，各类报文采用相同格式的前导序列和结尾序列，报文段根据传输报文的不同采用不同的封装格式。

（1）前导序列包括起始符、通道号、报文标识和序列校验，用于识别报文开端，标识报文要发向的通道或者产生该报文的通道，并指示报文的类别。

（2）报文段为SPI报文的实际内容，具体为控制报文、状态报文和数据报文，其中控制报文、状态报文和数据报文具体报文格式不相同。

（3）结尾序列为固定序列，标识报文的结尾。

进一步的，所述转换模块的配置步骤为：

通信主机启动后，根据扩展的CAN接口数量。

（1）查询各通道的转换模块状态，完成各通道转换模块的状态检测。

（2）清空各通道转换模块的SPI报文缓冲区。

（3）设置各通道的CAN接口工作模式和波特率。

（4）设置各通道的接收屏蔽方式和屏蔽码。

进一步的，所述前导序列的元素格式为：

（1）起始符为2个字节的固定序列，用于接收方识别报文开端；

（2）通道号为通信主机分配的通道编号，根据可扩展通信架构中，通信主机连接多个转换模块的通信方式，前导序列中加入通道号，用以标识发送该SPI报文的通道，或者接收到该SPI报文的通道。

（3）报文标识用于区分报文的类别。

（4）序列校验根据前导序列计算，用于对前导序列的正确性进行校验。

进一步的，所述报文段格式为：

（1）控制报文格式包括指令字、指令参数和报文校验，指令字标识具体指令，指令参数是对应指令所需的参数，根据具体指令设置。

（2）状态报文包括标识符、数据区和报文校验，标识符标识状态数据类别，数据区为实际数据。

（3）数据报文格式根据CAN数据帧设计，CAN总线采用CAN2.0B标准协议格式，将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据字段重新进行封装，用于实现CAN数据帧与SPI报文的转换。

进一步的，步骤S31数据发送具体包括：

（1）按照SPI报文格式封装成数据报文；并控制SPI总线，将数据报文发送至对应的转换模块。

（2）转换模块接收到数据报文后，将SPI报文中的帧类型、帧ID、数据长度和数据填入CAN数据帧的对应字段，转换为CAN数据帧。

（3）将转换完成的CAN数据帧通过CAN接口发送出去，实现通信主机向特定CAN接口发送数据。

进一步的，步骤S32数据接收具体包括：

（1）转换模块建立以数据报文为单元的缓冲区，该缓冲区为环形缓冲区，缓冲区满后禁止写入。

（2）转换模块接收到接收到的CAN数据帧后，将CAN数据帧封装成数据报文，存入缓冲区。

（3）通信主机周期向各转换模块发送数据读取指令，并执行数据读取操作。

（4）转换模块接收到通信主机的数据读取指令。

（41）若缓冲区存在数据报文，则提取报文，在通信主机读取时，发送至主机。

（42）若缓冲区为空，则在通信主机读取时，向主机发送状态报文，通知主机，该通道缓冲区已空。

（5）通信主机若读取到数据报文，则解析并处理数据，若读取到缓冲区为空的状态报文，则丢弃数据，并终止本周期的读取操作。

本发明所产生的有益效果是：

（1）根据SPI通信特点设计了可扩展通信架构，利用SPI的一主多从工作模式，实现通过1路SPI接口扩展多路CAN接口的功能，大大增加了系统的扩展能力，而且由于SPI速度远高于CAN通信，该扩展方式不会影响CAN接口的通信速率。

（2）根据可扩展通信架构的通信内容，设计了统一的SPI报文格式，实现了对CAN总线灵活配置，对转换模块状态实时监控。

（3）根据CAN数据帧的结构，设计数据报文格式，实现了CAN数据包的透明传输，增加了协议转换的通用性，通过对转换算法进行必要的软件封装，通信主机软件完全按照标准CAN数据格式进行接收和发送，编程简单灵活。

（4）建立数据缓冲区，解决了CAN总线缓冲区较小以及SPI总线与CAN总线速度不匹配的问题，降低了对数据处理同步要求，提高了数据传输可靠性。

附图说明

图1为本发明的通讯主机与转换模式以及CAN总线之间的简单示意图。

图2为本发明的SPI总线与CAN总线数据转换方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，利用通信主机和一个以上的转换模块作为运行平台，通信主机和转换模块采用ARM嵌入式处理器，

如图2所示，具体步骤如下：

S1，扩展通信架构设计：

通信主机与一个以上的转换模块间通过SPI总线通信，转换模块通过CAN总线与外部设备连接，利用SPI总线一主多从工作方式，将通信主机软件设置为主机模式，转换模块软件设置为从机模式，通过SPI主机连接多个从机方式，通信主机通过多个转换模块搭建通道，实现SPI扩展多路CAN接口功能，对各个通道进行编号。

扩展通信架构的工作方式为：

（1）根据SPI总线一主多从工作方式，将通信主机设置为主机模式，转换模块设置为从机模式，各转换模块共用SPI的数据线和时钟线，但具有独立的信号线与通信主机连接，通信主机通过操作信号线，选择与其通信的转换模块。

（2）通信主机可直接发送数据，但接收数据时，因转换模块不具备主动发送能力，需要通信主机通过查询方式读取转换模块数据。

（3）转换模块通过自带的一路或多路CAN接口与外部CAN网通信。

扩展通信架构通信主机和转换模块的功能分配如下：

（1）通信主机配置各个通道的转换模块，通信主机为各个转换模块设置通道编号，并完成各个通道转换模块的CAN接口配置，设置CAN接口的工作模式、波特率和屏蔽方式及屏蔽码；通信主机通过控转换模块工作状态，完成装换模块状态自检和实时监控。

（2）通信主机封装需发送的SPI报文，并控制SPI总线，将SPI报文发送至对应的转换模块。并读取转换模块缓存的SPI报文，对接收到的数据进行解析和处理。

（3）转换模块根据通信主机的控制指令，完成CAN接口的配置，并向通信主机反馈状态报文。

（4）转换模块将接收的数据报文转换为CAN数据帧，通过CAN接口发送出去。

（5）转换模块将接收到的CAN数据帧转换为SPI数据文，并存入缓冲区；待通信主机读取数据数据时，通过SPI总线发送至通信主机。

通信主机与转换模块间通过SPI总线通信具体包括如下内容：

（1）控制报文，包括转换模块配置指令、状态查询指令和数据读取指令，配置指令实现转换模块配置，包括通道编号、CAN工作模式、CAN波特率、CAN屏蔽方式及屏蔽码；状态查询指令获取各转换模块的状态信息；数据读取指令读取转换模块的数据帧。

（2）状态报文，将转换模块的工作状态信息封装成状态报文，反馈给通信主机。

（3）数据报文，将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据封装成数据报文，实现CAN数据帧与SPI报文相互转换。

S2，SPI报文格式设计：

根据SPI总线的通信方式，设计统一的SPI报文格式，实现CAN接口的灵活配置、转换模块的状态反馈和数据报文与CAN数据帧的透明转换。

SPI报文格式具体包括前导序列、报文段和结尾序列，各类报文采用相同格式的前导序列和结尾序列，报文段根据传输报文的不同采用不同的封装格式。

（1）前导序列包括起始符、通道号、报文标识和序列校验，用于识别报文开端，标识报文要发向的通道或者产生该报文的通道，并指示报文的类别。

起始符：为大于等于2个字节的固定序列，用于接收方在SPI总线的串行报文中，识别SPI报文的开端。

通道号：定义通信主机和相连的1路转换模块为1个通道，对已扩展的通道进的编号，编号值即为通道号，当通信主机需要向转换模块发送SPI报文时，在起始序列中加入目的通道号，标识报文将要发向的通道；当转换模块向通信主机反馈SPI报文时，在起始序列中加入自身通道号，标识产生该报文的通道。

报文标识：报文标识包括报文类别和报文标识，报文类别用于区分控制报文、状态报文和数据报文；报文标识是报文的具体标识，例如控制报文中的波特率设置报文。

序列校验：序列字段运算的结果，对前导序列的正确性进行检验。

（2）报文段为SPI报文的实际内容，具体为控制报文、状态报文和数据报文，其中控制报文、状态报文和数据报文具体报文格式不相同。

控制报文格式包括指令字、指令参数和报文校验，指令字标识具体指令，指令参数是对应指令所需的参数，根据具体指令设置。

指令字：具体指令的标识，接收方根据指令字识别具体指令。

指令参数，对应指令所需的参数，根据具体指令设置。

报文校验，报文字段运算的结果，对报文的正确性进行检验。

状态报文包括标识符、数据区和报文校验，标识符标识状态数据类别，数据区为实际数据。

标识符：工作状态的标识，接收方根据指令字解析工作状态。

数据区：转换模块的状态。

报文校验，报文字段运算的结果，对报文的正确性进行检验。

数据报文格式根据CAN数据帧设计，CAN总线采用CAN2.0B标准协议格式，将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据字段重新进行封装，用于实现CAN数据帧与SPI报文的转换。

帧类型：标识CAN数据帧的类型为标准帧或者扩展帧。

帧ID：CAN数据帧的ID，标准帧占2个字节，扩展帧占4个字节。

数据长度：CAN数据帧数据有效长度。

数据字段：CAN数据帧的数据区内容，根据数据长度设置字节数。

（3）结尾序列为固定序列，用于接收方在SPI总线的串行报文中，识别SPI报文的结尾。

S3，通信机制设计：

通信主机通过转换模块实现与多路CAN设备的通信，在转换模块内增加SPI报文缓冲区。

S31，数据发送时，通信主机将SPI报文发送至各转换模块，各转换模块将SPI报文转换为CAN数据帧，通过CAN接口对外发送。具体步骤包括：

（1）通讯主机根据CAN协议，按照SPI报文格式将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据字段封装成数据报文；并控制SPI总线，将数据报文发送至对应的转换模块。

（2）转换模块接收到数据报文后，将SPI报文中的帧类型、帧ID、数据长度和数据填入CAN数据帧的对应字段，转换为CAN数据帧。

（3）将转换完成的CAN数据帧通过CAN接口发送出去，实现通信主机向特定CAN接口发送数据。

S32，数据接收时，各转换模块通过CAN接口接收外部数据，转换为数据报文并存入缓冲区，在通信主机读取数据时，向通信主机发送数据报文。具体步骤包括：

（1）转换模块建立以数据报文为单元的缓冲区，该缓冲区为环形缓冲区，缓冲区满后禁止写入；

（2）转换模块接收到接收到的CAN数据帧后，将帧类型、帧ID、数据长度和数据字段封装成数据报文，存入缓冲区；

（3）通信主机周期向各转换模块发送数据读取指令，并执行数据读取操作；

（4）转换模块接收到通信主机的数据读取指令；

（41）若缓冲区存在数据报文，则提取报文，在通信主机读取时，发送至主机；

（42）若缓冲区为空，则在通信主机读取时，向主机发送状态报文，通知主机，该通道缓冲区已空；

（5）通信主机若读取到数据报文，则解析并处理数据，若读取到缓冲区为空的状态报文，则丢弃数据，并终止本周期的读取操作。

S4，转换模块按统一格式完成SPI报文与CAN数据帧的转换。

其中，所述转换模块的配置步骤为：

通信主机启动后，根据扩展的CAN接口数量，

（1）查询各通道的转换模块状态，完成各通道转换模块的状态检测；

（2）清空各通道转换模块的SPI报文缓冲区；

（3）设置各通道的CAN接口工作模式和波特率；

（4）设置各通道的接收屏蔽方式和屏蔽码。

本发明所产生的有益效果是：

（1）根据SPI通信特点设计了可扩展通信架构，利用SPI的一主多从工作模式，实现通过1路SPI接口扩展多路CAN接口的功能，大大增加了系统的扩展能力，而且由于SPI速度远高于CAN通信，该扩展方式不会影响CAN接口的通信速率。

（2）根据可扩展通信架构的通信内容，设计了统一的SPI报文格式，实现了对CAN总线灵活配置，对转换模块状态实时监控。

（3）根据CAN数据帧的结构，设计数据报文格式，实现了CAN数据包的透明传输，增加了协议转换的通用性，通过对转换算法进行必要的软件封装，通信主机软件完全按照标准CAN数据格式进行接收和发送，编程简单灵活。

（4）建立数据缓冲区，解决了CAN总线缓冲区较小以及SPI总线与CAN总线速度不匹配的问题，降低了对数据处理同步要求，提高了数据传输可靠性。

（5）该设计利用现有的成熟芯片，通过开发软件实现，维护和使用成本较低。

Claims (9)

1.一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：利用通信主机和一个以上的转换模块作为运行平台，具体步骤如下：

S1，扩展通信架构设计：

通信主机与一个以上的转换模块间通过SPI总线通信，转换模块通过CAN总线与外部设备连接，利用SPI总线一主多从工作方式，将通信主机软件设置为主机模式，转换模块软件设置为从机模式，通过SPI主机连接多个从机方式，通信主机通过多个转换模块搭建通道，实现SPI扩展多路CAN接口功能，对各个通道进行编号；

S2，SPI报文格式设计：

根据SPI总线的通信方式，设计统一的SPI报文格式；

S3，通信机制设计：

通信主机通过转换模块实现与多路CAN设备的通信，在转换模块内增加SPI报文缓冲区，

S31，数据发送时，通信主机将SPI报文发送至各转换模块，各转换模块将SPI报文转换为CAN数据帧，通过CAN接口对外发送；

S32，数据接收时，各转换模块通过CAN接口接收外部数据，转换为SPI报文并存入缓冲区，在通信主机读取数据时，向通信主机发送SPI报文；

S4，转换模块按统一格式完成SPI报文与CAN数据帧的转换。

2.根据权利要求1所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：步骤S1具体包括扩展通信架构通信主机和转换模块的功能分配如下：

（1）通信主机配置各个通道的转换模块，并监控转换模块状态；

（2）通信主机封装需发送至各个通道的SPI报文，并处理由各个通道接收到的SPI报文；

（3）转换模块完成CAN数据帧的接收和发送，以及CAN数据帧与SPI报文的相互转换。

3.根据权利要求1所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：通信主机与转换模块间通过SPI总线通信具体包括如下内容：

（1）控制报文，包括转换模块配置指令、状态查询指令和数据读取指令，配置指令实现转换模块配置，包括通道编号、CAN工作模式、CAN波特率、CAN屏蔽方式及屏蔽码；状态查询指令获取各转换模块的状态信息；数据读取指令读取转换模块的数据帧；

（2）状态报文，将转换模块的工作状态信息封装成状态报文，反馈给通信主机；

（3）数据报文，将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据封装成数据报文，实现CAN数据帧与SPI报文相互转换。

4.根据权利要求1或3所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：所述SPI报文格式具体包括前导序列、报文段和结尾序列，各类报文采用相同格式的前导序列和结尾序列，报文段根据传输报文的不同采用不同的封装格式；

（1）前导序列包括起始符、通道号、报文标识和序列校验，用于识别报文开端，标识报文要发向的通道或者产生该报文的通道，并指示报文的类别；

（2）报文段为SPI报文的实际内容，具体为控制报文、状态报文和数据报文，其中控制报文、状态报文和数据报文具体报文格式不相同；

（3）结尾序列为固定序列，标识报文的结尾。

5.根据权利要求1所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：所述转换模块的配置步骤为：

通信主机启动后，根据扩展的CAN接口数量，

（1）查询各通道的转换模块状态，完成各通道转换模块的状态检测；

（2）清空各通道转换模块的SPI报文缓冲区；

（3）设置各通道的CAN接口工作模式和波特率；

（4）设置各通道的接收屏蔽方式和屏蔽码。

6.根据权利要求4所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：所述前导序列的元素格式为：

（1）起始符为2个字节的固定序列，用于接收方识别报文开端；

（2）通道号为通信主机分配的通道编号，根据可扩展通信架构中，通信主机连接多个转换模块的通信方式，前导序列中加入通道号，用以标识发送该SPI报文的通道，或者接收到该SPI报文的通道；

（3）报文标识用于区分报文的类别；

（4）序列校验根据前导序列计算，用于对前导序列的正确性进行校验。

7.根据权利要求4所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：所述报文段格式为：

（1）控制报文格式包括指令字、指令参数和报文校验，指令字标识具体指令，指令参数是对应指令所需的参数，根据具体指令设置；

（2）状态报文包括标识符、数据区和报文校验，标识符标识状态数据类别，数据区为实际数据；

（3）数据报文格式根据CAN数据帧设计，CAN总线采用CAN2.0B标准协议格式，将CAN协议中的帧类型、帧ID、数据长度和数据字段重新进行封装，用于实现CAN数据帧与SPI报文的转换。

8.根据权利要求1所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：步骤S31数据发送具体包括：

（1）按照SPI报文格式封装成数据报文；并控制SPI总线，将数据报文发送至对应的转换模块；

（2）转换模块接收到数据报文后，将SPI报文中的帧类型、帧ID、数据长度和数据填入CAN数据帧的对应字段，转换为CAN数据帧；

（3）将转换完成的CAN数据帧通过CAN接口发送出去，实现通信主机向特定CAN接口发送数据。

9.根据权利要求1所述的一种可扩展的SPI总线与CAN总线数据转换方法，其特征在于：步骤S32数据接收具体包括：

（1）转换模块建立以数据报文为单元的缓冲区，该缓冲区为环形缓冲区，缓冲区满后禁止写入；

（2）转换模块接收到接收到的CAN数据帧后，将CAN数据帧封装成数据报文，存入缓冲区；

（3）通信主机周期向各转换模块发送数据读取指令，并执行数据读取操作；

（4）转换模块接收到通信主机的数据读取指令；

（41）若缓冲区存在数据报文，则提取报文，在通信主机读取时，发送至主机；

（42）若缓冲区为空，则在通信主机读取时，向主机发送状态报文，通知主机，该通道缓冲区已空；

（5）通信主机若读取到数据报文，则解析并处理数据，若读取到缓冲区为空的状态报文，则丢弃数据，并终止本周期的读取操作。

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