基于TJA1080的FlexRay总线接口设计

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现今的汽车电子设备越来越多,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。FlexRay总线是最近推出的一种先进高速串行同步和异步通信系统。该总线具有故障容限,可提供500 kbps~10 Mbps的确定数据传输速率和24位CRC(循环冗余)校验码。其通信速度和安全机制均满足目前车内电子设备的需求。  

本文介绍一种在数字信号处理器(DSP)C5509上实现FlexRay总线的方法。使用恩智浦半导体公司(NXP,原飞利浦半导体公司)的 FlexRay总线控制器TJA1080。TJA1080负责将各个设备的数据传输到DSP,由DSP对数据进行分析和处理。由于系统采用DSP作为核心,故可以对车载电子的数据进行复杂的处理。  

1 FlexRay总线及其控制器

TJA1080FlexRay总线是一种全新的总线系统。其主要特性有:  

  • ① 支持双通信通道,每个通道的速度均达到10 Mbps。与CAN协议相比,可用的带宽提高了10~40倍。
  • ② 总线数据的访问是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步,并提供给应用层。时基的精确度介于0.5 μs和10 μs之间。由于采用同步时基,消息在通信周期中拥有固定位置,接收器已经提前知道了消息到达的时间,因此可以可靠、准时地传送安全应用相关的信息。
  • ③ FlexRay总线提供消息冗余传输和非冗余传输两种选择,系统可以进行优化,以提高可用性或吞吐量。用户无需调整现有节点中的软件就可以扩展整个系统;同时,支持总线或星型拓扑结构。FlexRay总线提供了大量配置参数(如通信周期的持续时间、消息长度等),可以支持对系统进行调整,以满足不同应用场合的需求。
  • ④ FlexRay总线在重负载下可以关闭部分节点,使其仅接收数据而不发送数据,减少数据重发次数,使得总线负载很快下降。  

FlexRay总线的这些特性使其可以替代CAN总线,适合车载骨干网络、分布式控制系统以及安全系统等应用场合。目前,已有多家公司生产FlexRay总线控制器。本文选用恩智浦半导体公司的TJA1080总线控制器,介绍其内部结构以及与DSP的软硬件连接方法。  

TJA1080总线控制器的内部结构如图1所示。TJA1080总线控制器主要由状态机、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。

物理层通道有一个独立的接收发送通道,速度最高可以达到10Mbps。在工作状态下,主机可以访问TJA1080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。总线上的数据帧都将到达总线上所有的TJA1080,每一个TJA1080在收到总线数据帧后,都将经过接收滤波器;滤波器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。  

TJA1080的温度检测模块用于检测设备温度,超过一定温度将自动关闭总线收发。唤醒模块负责将处于SLEEP状态的总线节点唤醒,但超过一定时间仍无数据收发后重新进入SLEEP状态,从而降低整个系统功耗。总线失效检测器负责检测整个总线的状态,当发现总线负载较重时,将自动关闭发送器,此时该节点只能接收数据而不能发送数据,这样总线上的数据帧将很快被相应节点接收,迅速减轻总线负载。低功耗收发模块负责低功耗工作模式下数据的收发,采用减少数据重发机制,虽然降低了数据安全性,但同时也降低了整个系统功耗;配合温度检测模块,可以从软件上实现降低总线温度。  

主机对TJA1080的管理主要是通过输入/输出管理模块进行数据的收发操作,下面结合DSP介绍接收数据的软硬件实现方法。  

2 系统硬件结构

整个系统由C5509、TJA1080、ADC/DAC以及Flash等组成,其硬件连接如图2所示。DSP是核心控制单元;ADC用于采集模拟信号,转变成数字信号;DAC负责将数字信号转换成模拟信号;Flash用于保存DSP所需的程序,供DSP上电调用。此外,使用DSP的HPI接口连接到PC机,这样所有的总线数据均可以通过PC机存储和显示,PC机的数据也可以通过DSP发送到总线上。  

基于TJA1080的FlexRay总线接口设计-图片1

图2 系统硬件结构框图  

ADC负责采集电子设备的数据,可以是温度传感器数据、颜色传感器数据、语音信号、图像信号或者其他信号。DSP对这些数据进行处理后,将处理后的结果根据不同的情况通过TJA1080发送到总线上的其他节点;相反,DSP通过TJA1080读取总线上其他节点发送的数据帧,并对这些数据帧进行处理,将结果发送到DAC,可以实现对本节点电子设备状态的控制。  

3 TJA1080与C5509的硬件设计

TJA1080与C5509的连接是系统硬件连接的主要组成部分,如图3所示。使用C5509的缓冲串口(McBSP)连接TJA1080。缓冲串口是C5509的多通道串口连接设备。TJA1080的连接为异步串口(UART),这里使用DSP的缓冲串口模拟异步串口,实现与TJA1080的连接。TJA1080的其他输入/输出引脚使用C5509的通用I/O(GPIO)口控制,实现对TJA1080的各种状态的检测和控制。  

基于TJA1080的FlexRay总线接口设计-图片2

图3 TJA1080与C5509的连接图  

将缓冲串口的数据输入(DR)和帧同步输入(FSR)同时与UART的发送数据线相连,这是因为UART的串行数据线既有数据信息,又有帧信息。而此时UART的接收数据线与缓冲串口的数据输出线相连。  

DSP使用缓冲串口内部的采样时钟,缓冲串口可以配置成接收和发送数据,UART的1位数据对应于缓冲串口的16位数据。软件必须将DSP要发送的1位数据扩展成需要发送的16位数据,同样也要将接收到的每16位数据压缩成1位数据。这就要求设置采样速率发生器产生一个内部串行时钟,是串行波特率的16倍。因为每个UART字都以一个下降沿开始,这个下降沿可以用作帧同步输入,因此数据线和帧同步信号都连接到UART的输出上就可以得到这一信号。  

为了以8N1格式(8个数据位,没有奇偶校验位,1位停止位)给UART发送1位数据,发送器应该分为两个部分:第一部分包含9个16位的字,是起始位和8个数据位;第二部分包含2个8位的字,是停止位。其他UART的格式可以通过调整帧字的数量来实现。当以16位数据发送UART时,UART的“1”被编码为0xffff,“0”被编码为0x0000。停止位编码为8位字,以便调整为1.5位停止位,以适应可能需要的其他UART格式设置。数据传输的时序如图4所示。  

基于TJA1080的FlexRay总线接口设计-图片3

图4 缓冲串口和异步串口数据传输时序  

4 TJA1080与C5509的软件设计

C5509与TJA1080的数据通信流程如图5所示。系统初始化后,C5509判断当前是否有数据读写。数据读是通过判断是否有挂起的串口接收中断,该中断由TJA1080产生,一旦TJA1080收到总线数据帧,就发出该中断;数据写是通过判断上层程序是否有数据发送的软件中断,若有,则通过缓冲串口发送到TJA1080。无数据读写的情况下,C5509将定期检测TJA1080的收使能(RXEN)和错误输出(ERRN)引脚,以便确定 TJA1080是否正常工作;也可以根据需要,将TJA1080设置到低功耗状态。如果读取的数据的校验错误较多,则表明无线通信当前的信道噪声很大,或者TJA1080的总线被干扰出现紊乱。C5509通过I/O口设置总线保护使能(BGE)引脚为高,使得TJA1080停止向总线发送数据,从而避免在低信噪比情况下多次重复发送同样的数据,缩短无效通信时间。  

基于TJA1080的FlexRay总线接口设计-图片4

图5 数据通信流程  

5 总结

本文详细介绍了基于C5509和TJA1080的总线控制器连接设计方法。使用C5509的缓冲串口连接总线控制器TJA1080,实现FlexRay总线的数据收发;使用TJA1080模块的串口对数据操作。整个系统连接简单,实用性强。

 
肖师傅
  • 版权声明 本文源自 互联网, 肖师傅 整理 发表于 2023年7月24日10:17:28
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