陶金, 陳文鑫, 王景成

0 引言

串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）是MCU與外界聯(lián)系的重要方式之一。利用SPI既可以實現(xiàn)MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸，且其速度比通過串行異步通信（SCI）方式快。利用SPI也可以實現(xiàn)MCU與具有SPI接口的芯片進(jìn)行直接接接，這些芯片包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，LED/LCD驅(qū)動器，組合開關(guān)等。換而言之，SPI可以進(jìn)行大范圍的MCU外設(shè)擴(kuò)展而不受MCU I/O口的限制。

傳統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)采用繼電器來控制需要較大電流驅(qū)動電機(jī)的部件，例如車窗，后視鏡，車鎖等。在總線化設(shè)計中為了縮小控制單元的體積，增加系統(tǒng)的集成度，采用ST公司的L9950車門執(zhí)行器驅(qū)動芯片來對車門上的鎖、童鎖、后視鏡旋轉(zhuǎn)、后視鏡折疊后視鏡除霜和腳燈等通過SPI口進(jìn)行集中控制，不僅完全脫離了繼電器控制，節(jié)省了I/O口，縮小了單元體積，還可以通過SPI口讀取L9950中移位寄存器中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)故障診斷功能。

本文將對車門控制中 SPI的實現(xiàn)的原理和過程進(jìn)行闡述，之后給出了演示板的調(diào)試過程。

1 SPI工作原理

利用SPI進(jìn)行MCU和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸時，有主機(jī)和從機(jī)的概念，MCU必須工作于從機(jī)方式，且控制著數(shù)據(jù)傳輸，外部設(shè)備則處于從機(jī)方式。圖1是SPI的主從連接示意圖，參與數(shù)據(jù)傳的有三個引腳：時鐘引腳 SPSCK、主入從出引腳MISO、主出從入引腳MOSI。數(shù)據(jù)傳輸過程如下：

移位寄存器為8位，所以每一個過程相互傳送8位數(shù)據(jù)，工作從主機(jī)CPU發(fā)出啟動傳輸信號開始，此時要傳送的數(shù)據(jù)裝入8位移位寄存器，同時產(chǎn)生8個時鐘信號從SPSCK引腳依次送出，在SPSCK信號的控制下，主機(jī)中8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)依次從 MOSI引腳送出，到從機(jī)的 MOSI引腳送入其8位移位寄存器，在此過程中，從機(jī)的數(shù)據(jù)也通過MISO引腳到主機(jī)中，從而得以實現(xiàn)全雙工的傳輸功能。

圖1 SPI全雙工主從連接示意圖

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

本文中使用Freescale公司的M68HC908AZ60來控制車門執(zhí)行器驅(qū)動芯片L9950。

如圖2所示，在AZ60 MCU中E接口的PTE4～PTE7四個引腳與SPI模塊共用，作為SPI的引腳時，分別為SS、MISO、MOSI和SPSCK。L9950中DI、DO和CLK引腳分別與MCU的MOSI、MISO和SPSCK相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。有兩個電源口Vs和Vcc。Vs提供高端和半橋驅(qū)動。內(nèi)部charge pump 用來驅(qū)動高端開關(guān)。Vcc提供邏輯部分和SPI接口部分的電源，獨立的邏輯電源使得在Vs產(chǎn)生異常時，狀態(tài)和控制信息不會丟失。PWM 1/2口為脈沖寬度調(diào)制口，在車門某些部件需要電機(jī)平穩(wěn)驅(qū)動或者需要逐漸提高電壓以提高部件使用壽命時使用。

L9950驅(qū)動電流的輸出主要取決于PWM和其內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)寄存器的與邏輯關(guān)系，當(dāng)值為真時，電源Vs通過內(nèi)置的Charge Pump提高電流來打開高端開關(guān)，從而在OUT口輸出大電流，驅(qū)動電機(jī)等部件。所以在一般要求不是很高的情況下，從MCU引出的PWM位始終置1。CM口提供一個電流值的回饋功能，能夠回饋指定OUT口高端驅(qū)動的電流值的一萬分之一，連接到MCU可以更精確的得到負(fù)載的狀態(tài)，而不是只通過 L9950內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器得到簡單的開路和短路信息。

圖2 L9950和MCU的電路圖

3 L9950通過SPI口的數(shù)據(jù)傳遞

L9950使用標(biāo)準(zhǔn)的SPI口進(jìn)行通訊，有兩個輸入寄存器和兩個狀態(tài)寄存器，均為24位。輸入寄存器只能寫入，狀態(tài)寄存器只能讀出。當(dāng) CSN片選信號為高電平時，DO口呈高阻狀態(tài)。CSN轉(zhuǎn)為低電平后，SPI的串行通訊便開始了，在24位數(shù)據(jù)在時鐘CLK的控制下，經(jīng)移位寄存器同時發(fā)送和接收之后，CSN應(yīng)恢復(fù)為高電平。這一次發(fā)送的24位數(shù)據(jù)便稱作L9950的一個通訊幀。

輸入寄存器中，bit0是寄存器選擇信號（2選 1），bit1～bit17控制相應(yīng)的OUT口驅(qū)動器，bit22為重置模式。狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)會在輸入寄存器接收數(shù)據(jù)的同時發(fā)送給MCU，分為狀態(tài)寄存器1和狀態(tài)寄存器2，前者存放寄存器的過流故障信息，后者存放寄存器的斷路故障信息。Bit0為bit1～bit22的邏輯“或非”組合，用來判斷是否有故障產(chǎn)生。Bit1～bit22則分別對應(yīng)于各個 OUT口故障以及全局故障。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

4.1 SPI初始化

在本例中對M68HC908AZ60中的SPCR，SPSCR進(jìn)行設(shè)置。具體為：MCU收到數(shù)據(jù)不產(chǎn)生中斷，工作在主機(jī)方式、空閑時低電平，CSN下降沿作為移位開始信號、允許SPI、MCU發(fā)送數(shù)據(jù)不產(chǎn)生中斷，SPI的傳輸比特率定為12500。

4.2 故障檢測和具體控制功能的實現(xiàn)

本例采用4個三元一維數(shù)組來存放L9950的控制和狀態(tài)反饋字，初始狀態(tài)均為 0，這里值得注意的是，在 CSN信號啟動一幀24位的發(fā)送和接收時，均從寄存器的第0位開始。所以數(shù)組的第0項、第1項、第2項應(yīng)經(jīng)由MCU寄存器SPDR的過渡分別存放一幀的bit0～bit7、bit8～bit15和bit16～bit23。

下面以控制車門后視鏡為例，詳述控制過程。硬件連接方案如上原理圖所示，后視鏡由OUT1～3口進(jìn)行控制，實現(xiàn)X-Y方向旋轉(zhuǎn)功能。OUT1口連接電機(jī)的公共端，OUT2口連接X軸電機(jī)，OUT3口連接Y軸電機(jī)。具體的相關(guān)寄存器位的設(shè)置由表1給出：

表1 寄存器相關(guān)位的設(shè)置

以后視鏡Y軸水平旋轉(zhuǎn)為例，OUT1高端（High Side）和OUT2低端（Low Side）置1，電流由前者流向后者，電機(jī)左轉(zhuǎn)。相反，OUT1低端（High Side）和OUT2高端（Low Side）置1，電流由后者流向前者，電機(jī)右轉(zhuǎn)。這一段的寄存器位位于SPISend0[0]中，相關(guān)代碼如下：

L9950在接受一幀24位的控制字的同時，發(fā)送一個24位的狀態(tài)反饋幀。這樣在完成一個控制過程的同時，將會有2個狀態(tài)反饋幀，每個反饋幀的bit18～bit23含義相同，各位中包含了Vs過壓欠壓，熱關(guān)閉等芯片的全局故障。剩下的位中，第0幀（即狀態(tài)寄存器0的數(shù)據(jù)）存放各個OUT口的短路故障信息。第1幀（即狀態(tài)寄存器1的數(shù)據(jù)）存放各個OUT口的斷路故障信息。在本例中這些數(shù)據(jù)通過串口收發(fā)函數(shù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。

4.3 代碼流程的描述

SPI控制字發(fā)送函數(shù)L9950Send首先拉底CSN電平，啟動一幀的開始，數(shù)組從低位開始送入 8位數(shù)據(jù)寄存器SPDR，然后判斷接受滿、發(fā)送空標(biāo)志位，置位后循環(huán)跳出，將SPDR中收到的數(shù)據(jù)存在相應(yīng)數(shù)組中，這樣循環(huán)三次，發(fā)送接收滿24位一幀為止。流程圖如圖3所示。

圖3 L9950Send()執(zhí)行流程

整個車門控制系統(tǒng)程序執(zhí)行前，首先要對SPI進(jìn)行初始化工作。然后進(jìn)入全局掃描循環(huán)階段。在該過程中，相應(yīng)的按鍵或來自上位機(jī)的命令將會對相應(yīng)的控制功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，該函數(shù)的形式基本相同，區(qū)別僅在于寫入SPISend控制字的不同。軟件流程圖見圖4。

值得注意的是，在功能函數(shù)中對 L9950Send控制字發(fā)送函數(shù)進(jìn)行調(diào)用時，返回的將是之前一次調(diào)用該函數(shù)的反饋狀態(tài)，即上一次發(fā)送控制字時所產(chǎn)生的狀態(tài)控制字。所以要得到當(dāng)前的狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷，必須在輸入變量相同的情況下調(diào)用該函數(shù)兩次。

5 系統(tǒng)的調(diào)試

主測試界面采用VB提供的串口通信等多種控件，開發(fā)了虛擬的實驗臺面板，提供接受數(shù)據(jù)位的顯示和狀態(tài)文本顯示。如圖5所示。

在圖6和圖7所示的電路演示板的運(yùn)行模式下，當(dāng)有組合開關(guān)按下時，相應(yīng)的函數(shù)將會被調(diào)用，執(zhí)行SPI操作來控制和檢測門上設(shè)備。反饋的車門部件狀態(tài)數(shù)據(jù)通過SCI口發(fā)送至上位機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)由測試程序處理，通過文本的方式顯示在屏幕上，直觀可以看出運(yùn)行狀態(tài)。如果系統(tǒng)運(yùn)行正常，相應(yīng)的部件便會執(zhí)行操作命令，運(yùn)行正常的信息會顯示于主測試界面上。 如果系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障則立即會顯示故障信息，判斷其為短路還是開路。經(jīng)測試系統(tǒng)達(dá)到相關(guān)性能要求。

圖4 SPI函數(shù)執(zhí)行流程

圖5 主測試界面

圖6 演示電路板

圖7 連接于車門上的演示電路板

6 結(jié)束語

本文中將小體積帶 SPI口的驅(qū)動芯片代替了大體積的繼電器來實現(xiàn)控制功能，且MCU中SPI接口的應(yīng)用有效降低車身控制模塊（BCM）的體積，和總線型車身控制設(shè)計理念相一致。

另外，除了在車門部件控制中可以得到應(yīng)用以外，車身控制中的遙控，車燈系統(tǒng)的控制和按鍵系統(tǒng)均可通過 SPI實現(xiàn)，而且可以復(fù)用，有效降低了車身控制中MCU中I/O口使用較緊張的局面，同時不影響傳輸速度。隨著代替繼電器的各類驅(qū)動芯片的普及，SPI控制技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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