基于TJA1080的FlexRay總線接口設(shè)計(jì)

摘要 介紹基于TJA1080的FlexRay總線在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）C5509上的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)以DSP為核心，采用TJA1080總線控制器實(shí)現(xiàn)FlexRay通信協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；制造簡(jiǎn)單，集成度高，功耗低，適用于車(chē)內(nèi)多種電子設(shè)備的局域總線實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞 FlexRay 總線 TJA1080 C5509

引言

　　現(xiàn)今的汽車(chē)電子設(shè)備越來(lái)越多，早期的CAN總線已經(jīng)不能很好地解決眾多電子設(shè)備之間的通信，通信速度更高和通信更安全的車(chē)內(nèi)總線成為汽車(chē)電子的迫切需求。FlexRay總線是最近推出的一種先進(jìn)高速串行同步和異步通信系統(tǒng)。該總線具有故障容限，可提供500 kbps～10 Mbps的確定數(shù)據(jù)傳輸速率和24位CRC（循環(huán)冗余）校驗(yàn)碼。其通信速度和安全機(jī)制均滿足目前車(chē)內(nèi)電子設(shè)備的需求。

　　本文介紹一種在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）C5509上實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的方法。使用恩智浦半導(dǎo)體公司（NXP，原飛利浦半導(dǎo)體公司）的 FlexRay總線控制器TJA1080。TJA1080負(fù)責(zé)將各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP，由DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。由于系統(tǒng)采用DSP作為核心，故可以對(duì)車(chē)載電子的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的處理。

1 FlexRay總線及其控制器

　　TJA1080FlexRay總線是一種全新的總線系統(tǒng)。其主要特性有：

　?、?支持雙通信通道，每個(gè)通道的速度均達(dá)到10 Mbps。與CAN協(xié)議相比，可用的帶寬提高了10～40倍。
　　② 總線數(shù)據(jù)的訪問(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(yīng)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(dá)的時(shí)間，因此可以可靠、準(zhǔn)時(shí)地傳送安全應(yīng)用相關(guān)的信息。
　?、?FlexRay總線提供消息冗余傳輸和非冗余傳輸兩種選擇，系統(tǒng)可以進(jìn)行優(yōu)化，以提高可用性或吞吐量。用戶無(wú)需調(diào)整現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)中的軟件就可以擴(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)；同時(shí)，支持總線或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FlexRay總線提供了大量配置參數(shù)（如通信周期的持續(xù)時(shí)間、消息長(zhǎng)度等），可以支持對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。
　　④ FlexRay總線在重負(fù)載下可以關(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)，使其僅接收數(shù)據(jù)而不發(fā)送數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)，使得總線負(fù)載很快下降。

　　FlexRay總線的這些特性使其可以替代CAN總線,適合車(chē)載骨干網(wǎng)絡(luò)、分布式控制系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。目前，已有多家公司生產(chǎn)FlexRay總線控制器。本文選用恩智浦半導(dǎo)體公司的TJA1080總線控制器，介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與DSP的軟硬件連接方法。

　　TJA1080總線控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，TJA1080總線控制器主要由狀態(tài)機(jī)、信號(hào)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。

圖1 TJA1080結(jié)構(gòu)框圖

　　物理層通道有一個(gè)獨(dú)立的接收發(fā)送通道，速度最高可以達(dá)到10Mbps。在工作狀態(tài)下，主機(jī)可以訪問(wèn)TJA1080的接收模塊和發(fā)送器，通過(guò)對(duì)其操作實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層數(shù)據(jù)的收發(fā)?？偩€上的數(shù)據(jù)幀都將到達(dá)總線上所有的TJA1080，每一個(gè)TJA1080在收到總線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀濾除，只將屬于自己的數(shù)據(jù)幀和廣播幀存儲(chǔ)到接收FIFO中。

　　TJA1080的溫度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)設(shè)備溫度，超過(guò)一定溫度將自動(dòng)關(guān)閉總線收發(fā)。喚醒模塊負(fù)責(zé)將處于SLEEP狀態(tài)的總線節(jié)點(diǎn)喚醒，但超過(guò)一定時(shí)間仍無(wú)數(shù)據(jù)收發(fā)后重新進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)功耗。總線失效檢測(cè)器負(fù)責(zé)檢測(cè)整個(gè)總線的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線負(fù)載較重時(shí)，將自動(dòng)關(guān)閉發(fā)送器，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)只能接收數(shù)據(jù)而不能發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣總線上的數(shù)據(jù)幀將很快被相應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收，迅速減輕總線負(fù)載。低功耗收發(fā)模塊負(fù)責(zé)低功耗工作模式下數(shù)據(jù)的收發(fā)，采用減少數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，雖然降低了數(shù)據(jù)安全性，但同時(shí)也降低了整個(gè)系統(tǒng)功耗；配合溫度檢測(cè)模塊，可以從軟件上實(shí)現(xiàn)降低總線溫度。

　　主機(jī)對(duì)TJA1080的管理主要是通過(guò)輸入/輸出管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，下面結(jié)合DSP介紹接收數(shù)據(jù)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)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(hào)，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)；DAC負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；Flash用于保存DSP所需的程序，供DSP上電調(diào)用。此外，使用DSP的HPI接口連接到PC機(jī)，這樣所有的總線數(shù)據(jù)均可以通過(guò)PC機(jī)存儲(chǔ)和顯示，PC機(jī)的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)DSP發(fā)送到總線上。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　ADC負(fù)責(zé)采集電子設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以是溫度傳感器數(shù)據(jù)、顏色傳感器數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)或者其他信號(hào)。DSP對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將處理后的結(jié)果根據(jù)不同的情況通過(guò)TJA1080發(fā)送到總線上的其他節(jié)點(diǎn)；相反，DSP通過(guò)TJA1080讀取總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并對(duì)這些數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，將結(jié)果發(fā)送到DAC，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本節(jié)點(diǎn)電子設(shè)備狀態(tài)的控制。

3 TJA1080與C5509的硬件設(shè)計(jì)

　　TJA1080與C5509的連接是系統(tǒng)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(shè)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)TJA1080的各種狀態(tài)的檢測(cè)和控制。

圖3 TJA1080與C5509的連接圖

　　將緩沖串口的數(shù)據(jù)輸入（DR）和幀同步輸入（FSR）同時(shí)與UART的發(fā)送數(shù)據(jù)線相連，這是因?yàn)閁ART的串行數(shù)據(jù)線既有數(shù)據(jù)信息，又有幀信息。而此時(shí)UART的接收數(shù)據(jù)線與緩沖串口的數(shù)據(jù)輸出線相連。

　　DSP使用緩沖串口內(nèi)部的采樣時(shí)鐘，緩沖串口可以配置成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，UART的1位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于緩沖串口的16位數(shù)據(jù)。軟件必須將DSP要發(fā)送的1位數(shù)據(jù)擴(kuò)展成需要發(fā)送的16位數(shù)據(jù)，同樣也要將接收到的每16位數(shù)據(jù)壓縮成1位數(shù)據(jù)。這就要求設(shè)置采樣速率發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部串行時(shí)鐘，是串行波特率的16倍。因?yàn)槊總€(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(shù)據(jù)線和幀同步信號(hào)都連接到UART的輸出上就可以得到這一信號(hào)。

　　為了以8N1格式（8個(gè)數(shù)據(jù)位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位，1位停止位）給UART發(fā)送1位數(shù)據(jù)，發(fā)送器應(yīng)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(shù)據(jù)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(diào)整幀字的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)以16位數(shù)據(jù)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(diào)整為1.5位停止位，以適應(yīng)可能需要的其他UART格式設(shè)置。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序如圖4所示。

圖4 緩沖串口和異步串口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

4 TJA1080與C5509的軟件設(shè)計(jì)

　　C5509與TJA1080的數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，C5509判斷當(dāng)前是否有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。數(shù)據(jù)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收到總線數(shù)據(jù)幀，就發(fā)出該中斷；數(shù)據(jù)寫(xiě)是通過(guò)判斷上層程序是否有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀寫(xiě)的情況下，C5509將定期檢測(cè)TJA1080的收使能（RXEN）和錯(cuò)誤輸出（ERRN）引腳，以便確定 TJA1080是否正常工作；也可以根據(jù)需要，將TJA1080設(shè)置到低功耗狀態(tài)。如果讀取的數(shù)據(jù)的校驗(yàn)錯(cuò)誤較多，則表明無(wú)線通信當(dāng)前的信道噪聲很大，或者TJA1080的總線被干擾出現(xiàn)紊亂。C5509通過(guò)I/O口設(shè)置總線保護(hù)使能（BGE）引腳為高，使得TJA1080停止向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免在低信噪比情況下多次重復(fù)發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，縮短無(wú)效通信時(shí)間。

圖5 數(shù)據(jù)通信流程

5 總結(jié)

　　本文詳細(xì)介紹了基于C5509和TJA1080的總線控制器連接設(shè)計(jì)方法。使用C5509的緩沖串口連接總線控制器TJA1080，實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的數(shù)據(jù)收發(fā)；使用TJA1080模塊的串口對(duì)數(shù)據(jù)操作。整個(gè)系統(tǒng)連接簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪安民. TMS320C54xxDSP實(shí)用技術(shù)[M]. 第2版. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.
[2] 汪安民，程昱．DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)用子程序[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.
[3] Texas Instruments Inc. C5509 Dual-Core Processor Data Manual，2004.
[4] Philips Semiconductors Corp. TJA1080 Data Sheet FlexRay Transceiver，2006.