CANoe對SPI、UART和I2C等串行總線的同步仿真與測試

在ECU和傳感器系統(tǒng)中，除去各種汽車總線以及智能傳感器之間的PSI5和SENT協(xié)議之外，在短距離和低成本通信場景中還會廣泛使用SPI、UART、RS232、RS485、RS422和I2C等通用串行總線。在HIL系統(tǒng)中，如果被測對象涉及上述串行總線，則需要測試設(shè)備能夠同時支持對應(yīng)接口，實現(xiàn)測試、仿真及分析。在CANoe為平臺的HIL系統(tǒng)中，I/O板卡VT2710同時支持PSI5/SENT以及上述串行總線協(xié)議，為構(gòu)建經(jīng)濟型測試系統(tǒng)提供便利。

SPI簡述與測試解決方案

SPI（Serial Peripheral Interface Bus，串行外設(shè)接口）常用于芯片之間通訊，沒有具體標準技術(shù)規(guī)范，各廠家的實際方案可能存在一定差異性，如線束拓撲常見形式有四線SPI、三線SPI和isoSPI等，時序操作模式以及具體指令集定義等均需結(jié)合實際芯片手冊進行開發(fā)和配置。最常見的SPI通訊需要4根線，可進行全雙工通訊。

當采用單主機多從機的通訊拓撲時，SCLK、MOSI、MISO均為1根線由主機并聯(lián)至各從機，而CS片選信號線的數(shù)量，需要與從機數(shù)量對應(yīng)。時序模式如圖2。

SPI除了引腳定義、時序操作、指令集多樣以外，對于通訊速率、電平范圍也無明確定義，需根據(jù)通訊芯片進行匹配。ECU中通常將SPI用于MCU與外設(shè)芯片之間的通訊，如EEPROM、看門狗等；在BMS領(lǐng)域的主從板菊花鏈通訊中，也通過SPI與外置通訊芯片進行交互（如Maxim、Analog Devices、NXP等）。

CANoe/VT2710對SPI的支持情況：

每塊VT2710可以提供2個獨立通道的四線SPI通訊，最多支持5路片選；

SPI通訊電壓范圍支持0～6V，可進行星型或菊花鏈連接；

仿真SPI主機時最高支持10Mbps速率，仿真SPI從機時最高支持6Mbps速率。

SPI通訊指令集開發(fā)實現(xiàn)方式有3種：

用戶自定義信號幀：CANoe內(nèi)置清晰且便于使用的圖形配置界面，用戶可自由添加信號定義，實現(xiàn)SPI通訊“數(shù)據(jù)庫”的制作。

原始通信幀：直接通過CAPL編程方式實現(xiàn)通訊指令集開發(fā)，CANoe提供MISO和MOSI讀寫隊列函數(shù)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫進VT2710緩存隊列，用于靈活和快速的通訊交互。

FPGA封裝高速幀：當通訊過程中需要微秒或納秒級的數(shù)據(jù)響應(yīng)，并且需要動態(tài)結(jié)合前幀指令進行判斷并響應(yīng)時，可以使用FPGA編程進行SPI指令集開發(fā)。VT2710默認集成可自編程的FPGA芯片，用戶可選VHDL語言或Intel DSP Builder Advanced Blockset Builder進行FPGA開發(fā)。

UART簡述與測試解決方案

UART（Universal Asynchronous Receiver

/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。UART通訊需要2根線：TX發(fā)送數(shù)據(jù)，RX接收數(shù)據(jù)。UART在汽車行業(yè)內(nèi)用于座艙和觸摸信號等附屬設(shè)備的交互，還可擴展為LIN通訊接口使用。

UART幀以一個起始位（邏輯0）開始， 然后是7～9個數(shù)據(jù)位，由一個可選的奇偶校驗位以及一個或兩個停止位（邏輯1）完成，該位同時用于接收節(jié)點的同步。

CANoe/VT2710對UART的支持情況：

每塊VT2710可以提供2個獨立通道的UART通訊；

可以自定義電平，也可使用RS232、RS485、RS422等電平邏輯進行通訊；

自定義內(nèi)部電平支持最高6V，通訊速率最高支持1Mbps；

用戶可通過系統(tǒng)變量、CAPL函數(shù)或FPGA編程方式實現(xiàn)UART通訊。

RS232、RS485和RS422簡述

與測試解決方案

RS-232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準。由于RS232標準未對編碼方式、幀的構(gòu)成方式、傳輸順序、錯誤檢測機制做出規(guī)定，一般會使用UART的字符格式和傳輸比特率設(shè)置，當然也可由用戶自定義協(xié)議。不同于TTL電平，RS232規(guī)定邏輯“1”的電平為-15V～-3 V，邏輯“0”的電平為+3V～+15V。

RS485（現(xiàn)稱EIA-485）是TIA及EIA聯(lián)合發(fā)布的物理層標準，在干擾環(huán)境下進行長距離的高效通信，支持在一個網(wǎng)絡(luò)上有多個接收器的總線拓撲，適用于環(huán)境耐久等試驗環(huán)境。RS485是雙線、半雙工、差分電壓信號通訊，通訊速率上限隨線束長度而定，一般10米時最高35Mbit/s，1200米時最高100kbit/s。

RS422（現(xiàn)稱EIA-422）同樣是TIA及EIA聯(lián)合發(fā)布的物理層標準，旨在提供更高速度、更好的抗噪性和更長電纜長度的標準。傳輸數(shù)據(jù)速率可以高達10Mbit/s，在較低的速率下可在長達1500米的電纜上發(fā)送數(shù)據(jù)。RS422采用4線、全雙工、差分電壓信號通訊。RS422只能有1個發(fā)送端，多個接收端，因此其全雙工是主從節(jié)點之間的點對多點雙向通訊。由于RS485/422未定義具體的上層協(xié)議，實際使用中常會使用UART、Modbus、Profibus協(xié)議。RS232、RS485、RS422在汽車行業(yè)中用于GNSS數(shù)據(jù)傳輸、車機與附屬部件交互數(shù)據(jù)，以及測試時控制電源、環(huán)境艙等設(shè)備的場景。

CANoe/VT2710對RS232、RS485和RS422的支持情況：

每塊VT2710可提供2路RS232，2路RS485/RS422（復用二選一）；

編碼方式均默認提供UART編碼；

用戶可通過系統(tǒng)變量、CAPL函數(shù)或FPGA編程方式實現(xiàn)對應(yīng)通訊。

I2C簡述與測試解決方案

I2C Bus（Inter-Integrated Circuit Bus，內(nèi)部集成電路總線）是一種同步、多主從、分組交換、單端的串行通訊總線，主要用于短距離、板內(nèi)通訊中將低速的外部芯片連接至CPU/MCU。I2C使用2條雙向開漏（Open-Drain）通訊線：SDA（Serial Data Line）用于傳輸數(shù)據(jù)，SCL（Serial Clock Line）用于控制通訊過程，需上拉電阻，常用電平為+5V或+3.3V。常見通訊速率有標準模式100kbit/s和快速模式400kbit/s。新一代I2C總線可以支持快速模式400 kbit/s、更快速模式1 Mbit/s、高速模式3.4 Mbit/s和 超快速模式5 Mbit/s。I2C 通信始終按照以下流程進行：

Master主機在總線上產(chǎn)生一個啟動條件；

Master主機發(fā)送Slave從機地址和讀/寫位請求，對應(yīng)的Slave從機產(chǎn)生ACK應(yīng)答（低電平），Master主機根據(jù)讀/寫位切換為發(fā)送方或接收方模式；

數(shù)據(jù)在Master主機和被尋址的Slave從機之間按字節(jié)進行數(shù)據(jù)傳輸，相應(yīng)的接收方通過 ACK 進行應(yīng)答（低電平）；

Master主機在總線上產(chǎn)生一個停止條件。

此外，主機可以發(fā)起另一個啟動條件而非停止條件，從而立即啟動新的數(shù)據(jù)傳輸。此過程稱為重復啟動。I2C在汽車領(lǐng)域常用于MCU與EEPROM、GPIO芯片等集成電路通訊，也會用于觸摸指令傳輸、攝像頭光圈/曝光度控制等交互。

圖9：I2C通訊過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

CANoe/VT2710對I2C的支持情況：

每塊VT2710支持最多2路I2C總線，可以仿真Master主機或Slave從機；

支持100kb/s、400kb/s、1Mb/s三種典型速率，最低可配置為50kb/s，最高可配置為1.6Mb/s；

高電平電壓（0～6V）、上拉電阻（4.7kΩ）是否接入均可配置。

在Sensor Protocol Configuration窗口，可以添加所需I2C總線通道，對于Slave從機可以配置其尋址長度、Slave從機地址、是否對供應(yīng)商ID等信息進行響應(yīng)等，對于I2C報文可以配置其讀/寫長度，以及具體信號的Layout及序列化規(guī)則，方便直接通過系統(tǒng)變量進行數(shù)據(jù)讀/寫。與其他串行總線一樣，除直接通過系統(tǒng)變量進行操作外，也可通過CAPL操作原始幀、FPGA編程開發(fā)指令集等方式進行應(yīng)用。

CANoe為I2C的應(yīng)用提供1主2從的示例工程，利用VT2710的兩個通道分別仿真主、從，用戶可以基于該示例工程進行修改，創(chuàng)建符合自身使用場景的項目工程。

責任編輯：haq