从原理到实践：一文了解如何用VT2710实现SPI仿真

现如今，随着汽车电子的发展，串行通信在ECU上也被广泛应用，我们常见的串行通信有：RS485、RS232、PSI5、SPI等，每一种串行通信都有其自身的特点。本文主要就基于VT2710实现SPI仿真进行相关的介绍。

VT2710介绍
VT2710是Vector 旗下的一款串行通信板卡。VT2710 提供一套测试ECU或传感器串行通信通道所需的接口。该模块可用于模拟总线通道上传感器和ECU的行为。此外，还可以监控串行总线上的通信。VT2710可用于控制试验台上的外围设备。
如下图所示，VT2710模块可以同时处理两组串行接口，包括汽车传感器相关的PSI5和SENT接口。以及支持通用型数字接口，SPI，I2C，UART，RS232，RS422，RS485或LVDS等诸多通信协议。下面，将就基于VT2710实现SPI仿真的方式展开讲解。

图1-VT2710串行通信卡  

SPI
SPI，是串行外设接口“Serial Peripheral Interface”的简写，这是一种全双工同步串行的通信协议。
图2-SPI多从机模式

SPI通信原理其实很简单，至少需要4根线，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）和CS/SS（片选）。
 

MISO（ Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出；

MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入；

SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；

CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选线，用于多从机时主设备与从设备进行选择。当主设备要和某个从设备进行通信时，主设备需要先向对应从设备的片选线上发送使能信号，（大多数是将电平拉低），表示选中该从设，主芯片对此从芯片的操作才有效。

图3-通信过程
其通信过程也很容易理解。

首先，主设备发起片选信号，将CS/SS拉低（一般情况），启动通信。然后，主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行发数据或者读数据的操作。值得关注的是，通信过程中有四种数据采样的模式，由极性（CPOL）和相位（CPHA）来决定，CPOL为“0”则代表时钟信号空闲时为低电平，为“1”则空闲时为高电平，相位的“0”、“1”则分别代表在第一个跳变沿传输数据和在第二个跳变沿传输数据。以上极性和相位排列组合为以下四种模式：
 

①CPOL=0,CPHA=0：空闲时低电平，第一个跳变沿发数据

②CPOL=0,CPHA=1：空闲时低电平，第二个跳变沿发数据

③CPOL=1,CPHA=0：空闲时高电平，第一个跳变沿发数据

④CPOL=1,CPHA=1：空闲时高电平，第二个跳变沿发数据

图4-四种工作模式
主设备发送片选信号选中从设备，并且发送时钟信号后。紧接着主机（Master）将要发送的数据经MOSI信号线发送给从机（Slave），从机也将数据经MISO信号线返回给主机。SPI通信协议还具有高速传输、简单灵活、支持和多从设备的连接，具有较高的灵活性、双向通信、低功耗的特点。
以上就是SPI的基本通信原理，下面介绍一下上位机软件配置。
在上位机软件—CANoe中，有一个SPI  Basic的示例工程。在File→Sample Configurations下的SPI  Basic工程中，可以实现SPI基础的传输接收等基本通信。下面简单介绍一下该工程的使用和配置。工程位置如下图所示。
图5-SPI Basic工程
首先，将Master和Slave的MISO、MOSI、CS、SCLK对应连接。打开示例工程，确认通道是否匹配好。启动工程，在对应的输入窗口下输入数据即可完成收发。
图6-SPI Basic工程实例关于SPI的配置都在Hardware窗口下的Protocol Configuration Sensors模块下。
图7-SPI 配置icon

Master配置

POLELINK

1）Clock polarity when idle:指空闲时的SCLK极性

2）Clock frequency:指时钟频率

3)   Wait after CS active : 主机通过CS选中从机后的等待时间

4）Wait before CS inactive : CS片选在待命状态下的等待时间

图8-Master配置窗口
 

Slave配置

POLELINK

1）General Setting:此模式选择项包含Low Active和High Active，Low Active用于一般复杂度的通信需求，High Active用于高复杂度的通信需求。

2）Clock Setting：极性和相位选项，CPOL为极性，CPHA是相位。

图9-Slave配置窗口至此，就是我们在上位机软件中的示例工程以及对Master和Slave的一个基本的配置。
 

SPI多从机模式的配置

POLELINK

保证主机、从机连接没有问题，在上位机软件CANoe的Hardware窗口下的Protocol Configuration Sensors模块下，右击Master→Add Slave，具体参数的配置参照上文即可。值得关注的是，每块VT2710可以提供2个独立通道的四线SPI通讯，最多支持5路片选，两个通道至多可支持10个从机。

图10-Slave添加
图11-Slave

菊花链
在一个主机和多个从机的SPI 系统中，通常采用专门的片选信号来寻址从机。随着从机数量不断增加，片选线也随之增多。这种情况将给电路板带来很大的挑战。这时候，使用菊花链的连接方式是更好的选择。
菊花链，顾名思义，这种连接方式就像是花环，进行通信的过程中，在设备信号以串行的方式从一个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。在菊花链的SPI系统中，只采用一个SS (或者CS) 信号，所有从机接收同一个时钟信号。只有链上的第一个从机(SLAVE 1) 从微控制器直接接收命令。其他所有从机都从链上前一个从机的输出引脚获得其数据。要保证菊花链正常工作，每一个从机就必须能在给定的命令周期读入命令，而在下一个命令周期从数据输出引脚输出同样的命令。
下图为菊花链连接方式。在菊花链模式下，各个从机一个接一个地连接起来。主机通过所有连接的从机传输数据。为此，主机的MOSI输出连接到第一个从机的MOSI输入，下一个从机的MISO再连接到下一个从机的MISO，以此类推。最后一个从机的MISO输出再次连接回主机。所有从机的芯片选择信号在这里相互连接。采用菊花链的连接方式，优点在于节约空间，释放总线压力。缺点就是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了。
图12-菊花链的连接方式

BMS系统中菊花链实例
目前，国内的BMS设备主要分为两种。第一种是以分布式架构为主，BMS分为主板和从板，主从板上都有微型的控制器，用作收集从板采集到的电池电压和温度数据 ，通过CAN总线传给主板。第二种是采用菊花链技术的BMS集中式架构。这种架构只在BMS主板上保留微控制器，原本的从板改成单纯围绕AFE芯片功能的小板，AFE采集的信息通过差分隔离信号的方式直接传送给主板。主板完成BMS主要的保护和电池管理功能。
图13-传统方式到菊花链的演变

BMS的主板上的微控制器连接SPI串行通信接口，通过通信转换芯片将信号转换为差分信号。主板以差分信号的形式与第一个从板进行通信，差分信号从第一个从板出来后，依次进入后序的从板，这样主板最终得以与所有从板通信。菊花链在BMS系统中就是作为这样一个主、从板之间的桥梁而存在。菊花链的仿真可以基于 VT的 FPGA板卡实现， 通过Simulink构建菊花链仿真模型并运行在FPGA板卡中，从而实现用菊花链的方式完成主板从、板之间通信的功能。

总结

VT2710是一款为ECU和N个数字传感器提供硬件接口的功能型板卡。希望通过本文的介绍，大家对VT2710串行通信板卡和SPI通信协议有了更深入的了解。如果您对VT2710板卡亦或是SPI通信协议或者想要了解更多相关内容，欢迎咨询北汇信息，感谢观看！北汇信息作为Vector中国的合作伙伴，始终专注于汽车电子领域的新技术和新产品，为整车厂和零部件企业提供完整的研发、测试解决方案，为工程师在汽车领域提供“趁手装备”！我们不仅提供相应的工具和技术支持服务及培训，还针对不同的应用提供相应的解决方案，助力中国客户的研发效率提升。欢迎联系北汇信息，我们将根据不同需求为您提供针对性的高效、灵活、稳定的解决方案！