高速車(chē)載網(wǎng)絡(luò )FlexRay通信單元的設計與實(shí)現

摘要：基于提高車(chē)載網(wǎng)絡(luò )通信速率，可靠性與靈活性的目的，針對傳統FlexRay通信單元布線(xiàn)復雜、可靠性低等問(wèn)題，文中通過(guò)軟硬件相結合的方法，設計了汽車(chē)FlexRay總線(xiàn)通信單元。文中采用集成了FlexRay通信控制器功能的高性能MC9S12XF系列單片機，給出了FlexRay通信單元主要硬件結構和軟件設計流程。該通信單元具有硬件設計簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性強等特點(diǎn)，為基于MC9S12XF微處理器的FlexRay通信單元的開(kāi)發(fā)提供了一定的科學(xué)依據。

隨著(zhù)現代汽車(chē)電子技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車(chē)的功能不斷增加，越來(lái)越多的電子系統被應用到汽車(chē)中，人們對汽車(chē)安全性能的要求也越來(lái)越高，尤其是汽車(chē)線(xiàn)控系統的增加，促進(jìn)了汽車(chē)總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展。傳統的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統如LIN、CAN等總線(xiàn)由于自身的缺點(diǎn)，在某些場(chǎng)合已經(jīng)不能滿(mǎn)足當代汽車(chē)對安全性以及大量多媒體數據交換的要求，因此，新一代車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統FlexRay應運而生。FlexRay車(chē)載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議標準已經(jīng)成為同類(lèi)產(chǎn)品的基準，將在當前及未來(lái)很多年內，引領(lǐng)整個(gè)汽車(chē)電子產(chǎn)品控制結構的發(fā)展方向。FlexRay是繼LIN與CAN總線(xiàn)之后的最新研發(fā)成果，可以有效的管理多重安全和舒適功能;FlexRay面向的是眾多的車(chē)內線(xiàn)控操作(X—by—wire)，滿(mǎn)足車(chē)內線(xiàn)控技術(shù)的要求，符合未來(lái)汽車(chē)電子系統發(fā)展的趨勢。

FlexRay節點(diǎn)的核心是通信單元ECU(Electronic Control Unit)，是接入車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中獨立完成相應功能的控制單元。本文以飛思卡爾公司的MC9S12XF系列單片機為核心，外加恩智浦(NXP)公司的主流總線(xiàn)驅動(dòng)器TJA1080，介紹了FlexRay總線(xiàn)通信單元的硬件電路設計及軟件程序設計流程。由于MC9S12XF系列單片機集成了FlexRay通信控制模塊，這樣就大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設計，提高了系統的可靠性。

1 FlexRay總線(xiàn)的技術(shù)特性

FlexRay是一種用于汽車(chē)電子的具有高速、可確定性、故障容錯能力的當代總線(xiàn)技術(shù)。它不僅能簡(jiǎn)化車(chē)載通信系統的架構，而且還有助于汽車(chē)通信系統獲得更高的穩定性和可靠性。

FlexRay總線(xiàn)與其它總線(xiàn)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：更高的數據傳輸速率，FlexRay具有兩條通信數據總線(xiàn)，每一條總線(xiàn)的數據傳輸速率是10 Mbit/s，兩條數據總線(xiàn)的最高速率可達20 Mbit/s，是傳統CAN總線(xiàn)的20倍之多;更全面的拓撲選擇，FlexRay可支持多種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如星型、總線(xiàn)型和混合型，并且可以通過(guò)結合兩種或多種拓撲結構類(lèi)型來(lái)配置分布式系統;更靈活的數據通信，FlexRay不僅提供消息冗余和非冗余兩種傳輸選擇，而且用戶(hù)還可以擴展網(wǎng)絡(luò )系統，對系統進(jìn)行調整;更準確的容錯運算，FlexRay使用循環(huán)冗余校驗(CRC)來(lái)檢測通信中的差錯，通過(guò)雙通道通信來(lái)提供冗余功能。它將事件觸發(fā)方式和時(shí)間觸發(fā)兩種方式相結合，具有高效的網(wǎng)絡(luò )利用率和系統的靈活性，可以作為下一代汽車(chē)內部網(wǎng)絡(luò )的主干網(wǎng)絡(luò )。

2 MC9S12XF集成控制器的特點(diǎn)

MC9S12XF系列單片機是美國飛思卡爾公司推出的內建單/雙通道FlexRay V2.1的新系列16位車(chē)用微控制器(MCU)，該系列是基于飛思卡爾公司廣泛使用的高容量S12架構，為FlexRay網(wǎng)絡(luò )上的嵌入式節點(diǎn)單元提供高性能的分布式控制解決方案，MC9S12XF系列的特性主要包括：

1)50MHz的S12X內核，基于高效16位C1SC架構;

2)集成了單/雙通道FlexRay v2.1，每一個(gè)通道支持2.5、5、8和10 Mb/s的多種數據傳輸速率;

3)FlexRay時(shí)鐘，采用頻率從4～40 MHz不等的水晶振蕩器，使用鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現成本和EMC的優(yōu)化;

4)128KB、256KB、384KB和512KB的汽車(chē)質(zhì)量閃存選擇功能，帶有糾錯碼(ECC);

5)16位通道的數模轉換器(ADC)，可配置的8/10/12的位分辨率，僅需3 μs的轉換時(shí)間;

6)集成了電機控制模塊，使用6通道脈沖寬度調制器(PWM)，具有電流感應輸入和故障保護;

7)支持本地互連網(wǎng)絡(luò )(LILN)、控制區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)和串行外圍設備接口(SPI)協(xié)議;

8)S12XF系列提供了廣泛的工具支持，具有小型封裝選擇，可以根據I/O的需求進(jìn)行擴展。

S12XF系列還帶有4個(gè)高度集成的MCU，可以提供不同的存儲器配置，而且采用了提高性能的飛思卡爾XGATE協(xié)處理器。體積小巧的S12XF MCU非常適合用于一些空間大小受到嚴格限制的應用，例如與FlexRay網(wǎng)絡(luò )上的32位中心控制器通信的傳感器控制模塊以及分布式促動(dòng)器。16位S12XF設備還可以用作多種高級安全應用和主動(dòng)駕駛應用的終端節點(diǎn)。

S12 MCU系列是當前汽車(chē)市場(chǎng)中應用最廣泛的16位架構，可以擴大汽車(chē)系統設計人員選擇FlexRay網(wǎng)絡(luò )解決方案的范圍，為設計人員提供了廣泛的技術(shù)選擇，滿(mǎn)足了他們的應用需求，其片上閃存容量可從32KB擴展到1MB，并且能夠平穩移植到更高性能的S12X設備上。

3 通信單元硬件電路設計

FlexRay網(wǎng)絡(luò )通信單元的硬件結構電路設計主要包括控制器和驅動(dòng)器模塊，如圖1所示?？刂破髂K主要包括一個(gè)主機處理器(Host)和一個(gè)FlexRay通信控制器(Communication Controller)，驅動(dòng)器模塊主要包括總線(xiàn)監控器(BD)和總線(xiàn)驅動(dòng)器(BG)?？刂破髂K中主機處理器的功能是把FlexRay通信控制器分配的時(shí)間槽通知給總線(xiàn)監控器，然后總線(xiàn)監控器就允許FlexRay通信控制器在這些時(shí)間槽中來(lái)傳輸數據;總線(xiàn)監控器則用以監視接入FlexRay總線(xiàn)的連接，而總線(xiàn)驅動(dòng)器則將總線(xiàn)與FlexRay通信控制器和總線(xiàn)監控器相連接。

FlexRay通信單元的硬件電路設計主要有兩種架構方式：一種是由主處理器、通信控制器和總線(xiàn)驅動(dòng)器組成，如常用的MPC5567+MFR4310+ TJA1080架構;另一種是由集成了通信控制器功能的主處理器和總線(xiàn)驅動(dòng)器構成。前者為早期的FlexRay通信單元模式，其硬件電路結構較為復雜。本設計中采用后者集成了通信控制器功能模塊的主處理器MC9S12XF加總線(xiàn)驅動(dòng)器TJA1080架構，其電路原理如圖2所示。

圖中MC9S12XF是核心單元，其外圍電路主要由電源管理模塊、復位電路和時(shí)鐘發(fā)生器等組成，如圖3所示。外圍電路主要用來(lái)實(shí)現AD信號的采集、看門(mén)狗的復位、數據永久記錄、全局時(shí)鐘信號的處理等功能。

總線(xiàn)驅動(dòng)器TJA1080與物理層接口的電路如圖4所示，其中T1是共模扼流電感，為了使圖中共模扼流電感的共模衰減率最大，其頻率范圍應滿(mǎn)足20～50 MHz。

4 通信單元軟件設計流程

軟件設計是系統設計的關(guān)鍵，為了提高可靠性和可理解性，系統軟件部分采用模塊化的設計思想，各個(gè)模塊相連，形成了完整的軟件系統。軟件設計主要是對FlexRay通信控制器模塊進(jìn)行參數的設置和初始化操作，初始化操作是搭建單片機運行環(huán)境的過(guò)程。主程序模塊是系統軟件的主體部分，主要任務(wù)包括：系統的初始化，數據信號的采集、發(fā)送與處理，數據的通信與傳輸等。

FlexRay通信單元主程序流程圖如圖5所示，重點(diǎn)完成對CPU和FlexRay模塊的初始化。由于FlexRay通信控制器本地時(shí)鐘采用的是MC9S12XF的內部時(shí)鐘，所以在進(jìn)行FlexRay模塊初始化之前要首先對MC9S12XF的時(shí)鐘鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行相關(guān)的配置。初始化MCU完成以后使MC9S12XF Fle xRay模塊強制進(jìn)入FlexRay協(xié)議狀態(tài)配置并啟動(dòng)FlexRay通信控制器;需要初始化的模塊包括FlexRay系統總線(xiàn)時(shí)鐘模塊、鎖相環(huán)模塊、通用I /O口、實(shí)時(shí)中斷模塊、FlexRay模塊等。FlexRay通信單元完成初始化配置后，需要進(jìn)行接收和發(fā)送幀信息，實(shí)現FlexRay數據通信。經(jīng)過(guò)核心元件MC9S12XF對數據信號編碼處理后傳送到總線(xiàn)收發(fā)器模塊TJA1080中，最后送到FlexRay總線(xiàn)中完成整個(gè)數據通信過(guò)程。詳細的FlexRay數據通信流程如圖6所示。

5 結束語(yǔ)

FlexRay作為新一代汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )，與傳統CAN總線(xiàn)相比具有更高的傳輸速率，也更加安全可靠，并且已經(jīng)在寶馬X5、X6和X7系列轎車(chē)上獲得了成功的應用。文中從硬件和軟件兩個(gè)方面對FlexRay通信單元的設計進(jìn)行了介紹，硬件方面給出了基于主流MC9S12XF系列單片機的Flex Ray通信單元結構和其應用外圍電路，并給出了主要軟件設計流程，軟件設計采用模塊化的設計思想，提高了系統的可靠性和維護性。本文設計的FlexRay通信單元集成度高、實(shí)時(shí)性能強，達到了設計要求，并對未來(lái)FlexRay網(wǎng)絡(luò )系統開(kāi)發(fā)有一定的實(shí)際應用價(jià)值。