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現今的汽車(chē)電子設備越來(lái)越多，早期的CAN總線(xiàn)已經(jīng)不能很好地解決眾多電子設備之間的通信，通信速度更高和通信更安全的車(chē)內總線(xiàn)成為汽車(chē)電子的迫切需求。FlexRay總線(xiàn)是最近推出的一種先進(jìn)高速串行同步和異步通信系統。該總線(xiàn)具有故障容限，可提供500 kbps～10 Mbps的確定數據傳輸速率和24位CRC（循環(huán)冗余）校驗碼。其通信速度和安全機制均滿(mǎn)足目前車(chē)內電子設備的需求。 本文介紹一種在數字信號處理器（DSP）C5509上實(shí)現FlexRay總線(xiàn)的方法。使用恩智浦半導體公司（NXP，原飛利浦半導體公司）的 FlexRay總線(xiàn)控制器TJA1080。TJA1080負責將各個(gè)設備的數據傳輸到DSP，由DSP對數據進(jìn)行分析和處理。由于系統采用DSP作為核心，故可以對車(chē)載電子的數據進(jìn)行復雜的處理。 1 FlexRay總線(xiàn)及其控制器 TJA1080FlexRay總線(xiàn)是一種全新的總線(xiàn)系統。其主要特性有： ① 支持雙通信通道，每個(gè)通道的速度均達到10 Mbps。與CAN協(xié)議相比，可用的帶寬提高了10～40倍。 ② 總線(xiàn)數據的訪(fǎng)問(wèn)是基于同步時(shí)基的。該時(shí)基通過(guò)協(xié)議自動(dòng)建立和同步，并提供給應用層。時(shí)基的精確度介于0.5 μs和10 μs之間。由于采用同步時(shí)基，消息在通信周期中擁有固定位置，接收器已經(jīng)提前知道了消息到達的時(shí)間，因此可以可靠、準時(shí)地傳送安全應用相關(guān)的信息。 ③ FlexRay總線(xiàn)提供消息冗余傳輸和非冗余傳輸兩種選擇，系統可以進(jìn)行優(yōu)化，以提高可用性或吞吐量。用戶(hù)無(wú)需調整現有節點(diǎn)中的軟件就可以擴展整個(gè)系統；同時(shí)，支持總線(xiàn)或星型拓撲結構。FlexRay總線(xiàn)提供了大量配置參數（如通信周期的持續時(shí)間、消息長(cháng)度等），可以支持對系統進(jìn)行調整，以滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的需求。 ④ FlexRay總線(xiàn)在重負載下可以關(guān)閉部分節點(diǎn)，使其僅接收數據而不發(fā)送數據，減少數據重發(fā)次數，使得總線(xiàn)負載很快下降。 FlexRay總線(xiàn)的這些特性使其可以替代CAN總線(xiàn),適合車(chē)載骨干網(wǎng)絡(luò )、分布式控制系統以及安全系統等應用場(chǎng)合。目前，已有多家公司生產(chǎn)FlexRay總線(xiàn)控制器。本文選用恩智浦半導體公司的TJA1080總線(xiàn)控制器，介紹其內部結構以及與DSP的軟硬件連接方法。 TJA1080總線(xiàn)控制器的內部結構如圖1所示。TJA1080總線(xiàn)控制器主要由狀態(tài)機、信號路由器、輸入/輸出管理模塊、收發(fā)模塊以及發(fā)送器等組成。 物理層通道有一個(gè)獨立的接收發(fā)送通道，速度最高可以達到10Mbps。在工作狀態(tài)下，主機可以訪(fǎng)問(wèn)TJA1080的接收模塊和發(fā)送器，通過(guò)對其操作實(shí)現對物理層數據的收發(fā)�？偩�(xiàn)上的數據幀都將到達總線(xiàn)上所有的TJA1080，每一個(gè)TJA1080在收到總線(xiàn)數據幀后，都將經(jīng)過(guò)接收濾波器；濾波器將不屬于自己地址的數據幀濾除，只將屬于自己的數據幀和廣播幀存儲到接收FIFO中。 TJA1080的溫度檢測模塊用于檢測設備溫度，超過(guò)一定溫度將自動(dòng)關(guān)閉總線(xiàn)收發(fā)。喚醒模塊負責將處于SLEEP狀態(tài)的總線(xiàn)節點(diǎn)喚醒，但超過(guò)一定時(shí)間仍無(wú)數據收發(fā)后重新進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，從而降低整個(gè)系統功耗�？偩�(xiàn)失效檢測器負責檢測整個(gè)總線(xiàn)的狀態(tài)，當發(fā)現總線(xiàn)負載較重時(shí)，將自動(dòng)關(guān)閉發(fā)送器，此時(shí)該節點(diǎn)只能接收數據而不能發(fā)送數據，這樣總線(xiàn)上的數據幀將很快被相應節點(diǎn)接收，迅速減輕總線(xiàn)負載。低功耗收發(fā)模塊負責低功耗工作模式下數據的收發(fā)，采用減少數據重發(fā)機制，雖然降低了數據安全性，但同時(shí)也降低了整個(gè)系統功耗；配合溫度檢測模塊，可以從軟件上實(shí)現降低總線(xiàn)溫度。 主機對TJA1080的管理主要是通過(guò)輸入/輸出管理模塊進(jìn)行數據的收發(fā)操作，下面結合DSP介紹接收數據的軟硬件實(shí)現方法。 2 系統硬件結構 整個(gè)系統由C5509、TJA1080、ADC/DAC以及Flash等組成，其硬件連接如圖2所示。DSP是核心控制單元；ADC用于采集模擬信號，轉變成數字信號；DAC負責將數字信號轉換成模擬信號；Flash用于保存DSP所需的程序，供DSP上電調用。此外，使用DSP的HPI接口連接到PC機，這樣所有的總線(xiàn)數據均可以通過(guò)PC機存儲和顯示，PC機的數據也可以通過(guò)DSP發(fā)送到總線(xiàn)上。 圖2 系統硬件結構框圖 ADC負責采集電子設備的數據，可以是溫度傳感器數據、顏色傳感器數據、語(yǔ)音信號、圖像信號或者其他信號。DSP對這些數據進(jìn)行處理后，將處理后的結果根據不同的情況通過(guò)TJA1080發(fā)送到總線(xiàn)上的其他節點(diǎn)；相反，DSP通過(guò)TJA1080讀取總線(xiàn)上其他節點(diǎn)發(fā)送的數據幀，并對這些數據幀進(jìn)行處理，將結果發(fā)送到DAC，可以實(shí)現對本節點(diǎn)電子設備狀態(tài)的控制。 3 TJA1080與C5509的硬件設計 TJA1080與C5509的連接是系統硬件連接的主要組成部分，如圖3所示。使用C5509的緩沖串口（McBSP）連接TJA1080。緩沖串口是C5509的多通道串口連接設備。TJA1080的連接為異步串口（UART），這里使用DSP的緩沖串口模擬異步串口，實(shí)現與TJA1080的連接。TJA1080的其他輸入/輸出引腳使用C5509的通用I/O（GPIO）口控制，實(shí)現對TJA1080的各種狀態(tài)的檢測和控制。 圖3 TJA1080與C5509的連接圖 將緩沖串口的數據輸入（DR）和幀同步輸入（FSR）同時(shí)與UART的發(fā)送數據線(xiàn)相連，這是因為UART的串行數據線(xiàn)既有數據信息，又有幀信息。而此時(shí)UART的接收數據線(xiàn)與緩沖串口的數據輸出線(xiàn)相連。 DSP使用緩沖串口內部的采樣時(shí)鐘，緩沖串口可以配置成接收和發(fā)送數據，UART的1位數據對應于緩沖串口的16位數據。軟件必須將DSP要發(fā)送的1位數據擴展成需要發(fā)送的16位數據，同樣也要將接收到的每16位數據壓縮成1位數據。這就要求設置采樣速率發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)內部串行時(shí)鐘，是串行波特率的16倍。因為每個(gè)UART字都以一個(gè)下降沿開(kāi)始，這個(gè)下降沿可以用作幀同步輸入，因此數據線(xiàn)和幀同步信號都連接到UART的輸出上就可以得到這一信號。 為了以8N1格式（8個(gè)數據位，沒(méi)有奇偶校驗位，1位停止位）給UART發(fā)送1位數據，發(fā)送器應該分為兩個(gè)部分：第一部分包含9個(gè)16位的字，是起始位和8個(gè)數據位；第二部分包含2個(gè)8位的字，是停止位。其他UART的格式可以通過(guò)調整幀字的數量來(lái)實(shí)現。當以16位數據發(fā)送UART時(shí)，UART的“1”被編碼為0xffff，“0”被編碼為0x0000。停止位編碼為8位字，以便調整為1.5位停止位，以適應可能需要的其他UART格式設置。數據傳輸的時(shí)序如圖4所示。 圖4 緩沖串口和異步串口數據傳輸時(shí)序 4 TJA1080與C5509的軟件設計 C5509與TJA1080的數據通信流程如圖5所示。系統初始化后，C5509判斷當前是否有數據讀寫(xiě)。數據讀是通過(guò)判斷是否有掛起的串口接收中斷，該中斷由TJA1080產(chǎn)生，一旦TJA1080收到總線(xiàn)數據幀，就發(fā)出該中斷；數據寫(xiě)是通過(guò)判斷上層程序是否有數據發(fā)送的軟件中斷，若有，則通過(guò)緩沖串口發(fā)送到TJA1080。無(wú)數據讀寫(xiě)的情況下，C5509將定期檢測TJA1080的收使能（RXEN）和錯誤輸出（ERRN）引腳，以便確定 TJA1080是否正常工作；也可以根據需要，將TJA1080設置到低功耗狀態(tài)。如果讀取的數據的校驗錯誤較多，則表明無(wú)線(xiàn)通信當前的信道噪聲很大，或者TJA1080的總線(xiàn)被干擾出現紊亂。C5509通過(guò)I/O口設置總線(xiàn)保護使能（BGE）引腳為高，使得TJA1080停止向總線(xiàn)發(fā)送數據，從而避免在低信噪比情況下多次重復發(fā)送同樣的數據，縮短無(wú)效通信時(shí)間。 圖5 數據通信流程 5 總結 本文詳細介紹了基于C5509和TJA1080的總線(xiàn)控制器連接設計方法。使用C5509的緩沖串口連接總線(xiàn)控制器TJA1080，實(shí)現FlexRay總線(xiàn)的數據收發(fā)；使用TJA1080模塊的串口對數據操作。整個(gè)系統連接簡(jiǎn)單，實(shí)用性強。 |
