基于FlexRay总线的通讯单元设-盛世时代

来源：盛世时代时间：2017-05-06

　FlexRay是一种用于汽车的高速、可确定性的，具备故障容错能力的总线技术，它将事件触发和时间触发两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性特点，可以作为新一代汽车内部网络的主干网络。FlexRay是汽车工业的事实标准(facto standard)。
    随着汽车电子技术的发展，汽车电子化程度的与日俱增，车体内应用的ECU模块数量的增加使得线束也随之增加。另一方面，以网络通讯为基础的线控技术(X-by-wire)将在汽车上普遍应用。早期的CAN总线已经不能很好地解决众多电子设备之间的通信，通信速度更高和通信更安全的车内总线成为汽车电子的迫切需求。由FlexRay联盟制定的FlexRay协议标准成为一种理想的解决方案。它不仅是一个通信协议，它还包括特殊定义的高速发送和接收驱动器，以及各种元件的硬件和软件接口标准。
    汽车通讯系统的普及是汽车电子发展的一大方向。车载通讯系统是指装载在汽车上的移动通讯系统。其特点是以车为载体，同时能够随车移动进行无线信号的传输。它不仅包括车载电话，还包括汽车状态远程监控、报警、娱乐等功能。根据汽车本身具有移动、分布、数量大的特点，数字蜂窝移动通讯系统是较为理想的选择。随着“三网融合”技术的发展，内嵌TCP／IP协议的GSM／GPRS模块就可以实现基本的汽车通讯功能。
1 系统结构和原理
    本系统作为FlexRay总线上的一个节点，接收总线上传输来的信号，完成相关的通讯任务。FlexRay节点有两种结构，一种由微控制器、通讯控制器、总线控制器组成；一种由集成通讯控制器的微控制器、总线控制器组成。本系统采用后一种结构，系统结构图如图1所示。
    总线上的数据帧都将到达总线上所有的总线收发器。每一个总线收发器在收到总线数据帧后，将不属于自己地址的数据帧滤除，只将属于自己的数据帧和广播帧存储到接收FIFO中。在工作状态下，微控制器可以访问总线收发器的接收模块和发送器，通过对其操作实现对物理层数据的收发。微控制器接收到相关总线信号后将其分成若干种任务，按照优先级对这些任务进行处理，唤醒GSM／GPRS模块来执行相应的通讯任务或者通过总线收发器将处理后的结果发送到其他节点。GSM／GPRS模块具有语音通话、短信(SMS)／彩信(MMS)收发和数据业务功能。   GSM／GPRS模块与微控制器、总线收发器的电源电压不同，所以对电源进行单独设计。
2 硬件电路设计
2．1 总线收发器和微控制器的连接
    系统总线收发器选用恩智浦的TJA1080A。它是第一款成功通过FlexRay一致性测试并上市的FlexRay收发器。TJA1080A证明了FlexRay的强大性能与灵活便捷。它可提供广泛的功能组合、卓越的EMC性能以及高效的ESD保护。TJA1080A总线收发器的内部结构如图2所示。从图2可以看出，TJA1080A总线收发器主要由状态机、信号路由器、输入／输出管理模块、收发模块以及发送器等组成。
    系统的控制器采用Freescale的MC9S12XF512嵌入式微控制器。它集成的单／双通道FlexRayv2．1，每通道支持2．5、5、8和10Mb／s的数据速率；FlexRay时钟，采用频率从4MHz到40MHz不等的水晶振荡器，使用PLL(锁相环)实现成本和EMC的优化；小巧的体积非常适合于一些空间受到严格限制的应用；并且还集成了飞思卡尔的XGATE协处理器模块。XGATE模块的功能类似于主CPU的专用协处理器，其运行速度是主CPU的两倍，并且没有任何CPU处理开销，能够提高系统性能，最高运行性能达到100MIPS。从而在没有提高成本的情况下提高了MCU的性能。
    TJA1080A和MC9S12XF512的连接如图3所示。
    PH3和PH7是普通I／O口，作为TJA1080A的使能输入，高电平有效。通过对MC9S12XF512的PH(0～7)、PJ(3～6)的端口复用与其FLexRay通信控制器相连。
2．2 GSM／GPRS的外围电路设计
    PTM101模块是一款超小体积的GSM／GPRS模块，大小只有38×29mm×3mm。PTM101内嵌TCP／IP协议和彩信MMS协议，支持标准的AT命令集和PUTAI增强命令集，可以提供丰富的语言和数据业务功能。
ANT为天线，为减少信号衰减，要求50 Ω的高频阻抗控制。LED电路指示PTM101的工作状态，当SIM卡异常或没有注册到网络时，PTM的STATUS OUT引脚输出高电平，LED灯灭；而正常时该引脚电平以1s高电平，2s低电平的频率跳变，LED灯闪烁。UART口是PTM101其与外部处理器通讯交互的唯一通道，即是接收外部AT命令实现其功能的唯一通道。该UART是常用的3线制串口(UTXD、URXD、GND)，由跳线选择与微控制器MC9S12XF512或者通过RS232与PC机连接，进行相关数据的设置和传输。
2．3 电源模块设计
    PTM101的电源电压为4V，MC9S12XF512在单机模式下为12V供电，整个系统选用12VDC，然后进行DC-DC转换为符合PTM101需求的4VDC。
    为保证PTM101的射频性能优良，其供电电源要求较高。PTM101的待机电流只有2．2mA，但在附近基站信号很弱的时候，瞬时(约4.6ms)电流峰值可能会达到2A。因此要求电源电流峰值要能满足2A，并且动态性能良好。因此选用LM2596-ADJ作为电源电压转换芯片。它电压转换效率高，并且其3A、150kHz的性能参数完全满足要求。
    VBAT的计算公式为：
    其中：Vref为1．23V
3 总结
    本文详细介绍了基于FlexRay的通讯单元的设计。MC9S12XF512连接的总线控制器TJA1080A实现FlexRay总线的数据收发；使用PTM101与MC9S12XF512相连，可以进行语言通话，短信收发及相关数据的传送。整个系统连接简单，通过亮灯实验验证，本系统能够完成基本的通讯功能，实用性强。
　FlexRay可以应用在无源总线和星形网络拓扑结构中，也可以应用在两者的组合拓扑结构中。这两种拓扑
FlexRay总线拓扑结构(2张)均支持双通道ECU，这种ECU集成多个系统级功能，以节约生产成本并降低复杂性。双通道架构提供冗余功能，并使可用带宽翻了一番。每个通道的最大数据传输率达到10Mbps。　　无源总线拓扑的主要优势在于，采用设计工程师熟悉的汽车网络架构，因而有效控制成本。在需要更高带宽、更短延迟时间或确定性行为，而同时容错功能并非必需的情况下，这种无源总线拓扑非常有用。典型的应用领域就是直接替换CAN以满足带宽要求。　　而使用星型拓扑却可完全解决容错问题，因为如果出现意外情况，星型的支路可以有选择的切断。如果无源总线线缆长度超过规定限制，星型拓扑还可以用作复制器。　　除了其拓扑的灵活性以外，FlexRay尚有许多其他协议无法比拟的优势。它同时支持时间触发(确定性)通信和事件触发通信，如启动制动顺序(braking sequence)。　　FlexRay还支持总线间的多种消息传递架构。随着FlexRay在汽车上的广泛使用以及网络日益统一，这项功能将越发重要。例如，若干家汽车制造商已经实施或提议采用一种网络架构，不管采用何种通信协议，所有通信通过一个网关实现。为了跨越协议边界通信，要求网络支持多个消息传递选项。　　FlexRay拓扑的灵活性及实现事件触发或时间触发的操作模式对收发器意义重大。下面列举其中一部分：　　1. 10Mbps的数据处理速率；
　　2. 支持FlexRay节点和有源星型拓扑；　　3. 提供电源管理功能，提高ECU效率；　　4. 为时间驱动和事件驱动模式集成两个专用的控制输入；
　　5. 支持本地和远程唤醒功能；
　　6. 提供错误检测；
　　7. 符合汽车行业的严格规范要求(例如ESD和EMC领域，同时涉及上述各个方面)。

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