基于TJA1080的FlexRay總線接口設(shè)計

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

引言

　　現(xiàn)今的汽車電子設(shè)備越來越多，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內(nèi)總線成為汽車電子的迫切需求。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）校驗碼。其通信速度和安全機制均滿足目前車內(nèi)電子設(shè)備的需求。

　　本文介紹一種在數(shù)字信號處理器（DSP）C5509上實現(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)將各個設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP，由DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。由于系統(tǒng)采用DSP作為核心，故可以對車載電子的數(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：

　?、?nbsp; 支持雙通信通道，每個通道的速度均達(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)的訪問是基于同步時基的。該時基通過協(xié)議自動建立和同步，并提供給應(yīng)用層。時基的精確度介于0.5 μs和10 μs之間。由于采用同步時基，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)的時間，因此可以可靠、準(zhǔn)時地傳送安全應(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。用戶無需調(diào)整現(xiàn)有節(jié)點中的軟件就可以擴(kuò)展整個系統(tǒng)；同時，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)時間、消息長度等），可以支持對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用場合的需求。
　　④  FlexRay總線在重負(fù)載下可以關(guān)閉部分節(jié)點，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、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。

圖1  TJA1080結(jié)構(gòu)框圖

　　物理層通道有一個獨立的接收發(fā)送通道，速度最高可以達(dá)到10Mbps。在工作狀態(tài)下，主機可以訪問TJA1080的接收模塊和發(fā)送器，通過對其操作實現(xiàn)對物理層數(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TJA1080在收到總線數(shù)據(jù)幀后，都將經(jīng)過接收濾波器；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)幀和廣播幀存儲到接收FIFO中。

　　TJA1080的溫度檢測模塊用于檢測設(shè)備溫度，超過一定溫度將自動關(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)點喚醒，但超過一定時間仍無數(shù)據(jù)收發(fā)后重新進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，從而降低整個系統(tǒng)功耗?？偩€失效檢測器負(fù)責(zé)檢測整個總線的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線負(fù)載較重時，將自動關(guān)閉發(fā)送器，此時該節(jié)點只能接收數(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)機制，雖然降低了數(shù)據(jù)安全性，但同時也降低了整個系統(tǒng)功耗；配合溫度檢測模塊，可以從軟件上實現(xiàn)降低總線溫度。

　　主機對TJA1080的管理主要是通過輸入/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)的軟硬件實現(xiàn)方法。

2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　整個系統(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，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號；DAC負(fù)責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；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，這樣所有的總線數(shù)據(jù)均可以通過PC機存儲和顯示，PC機的數(shù)據(jù)也可以通過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)、語音信號、圖像信號或者其他信號。DSP對這些數(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TJA1080發(fā)送到總線上的其他節(jié)點；相反，DSP通過TJA1080讀取總線上其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并對這些數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，將結(jié)果發(fā)送到DAC，可以實現(xiàn)對本節(jié)點電子設(shè)備狀態(tài)的控制。

3  TJA1080與C5509的硬件設(shè)計

　　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，實現(xiàn)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(shù)據(jù)輸入（DR）和幀同步輸入（FSR）同時與UART的發(fā)送數(shù)據(jù)線相連，這是因為UART的串行數(shù)據(jù)線既有數(shù)據(jù)信息，又有幀信息。而此時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)生一個內(nèi)部串行時鐘，是串行波特率的16倍。因為每個UART字都以一個下降沿開始，這個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個數(shù)據(jù)位，沒有奇偶校驗位，1位停止位）給UART發(fā)送1位數(shù)據(jù)，發(fā)送器應(yīng)該分為兩個部分：第一部分包含9個16位的字，是起始位和8個數(shù)據(jù)位；第二部分包含2個8位的字，是停止位。其他UART的格式可以通過調(diào)整幀字的數(shù)量來實現(xiàn)。當(dāng)以16位數(shù)據(jù)發(fā)送UART時，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序如圖4所示。

圖4  緩沖串口和異步串口數(shù)據(jù)傳輸時序

4  TJA1080與C5509的軟件設(shè)計

　　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。數(shù)據(jù)讀是通過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)寫是通過判斷上層程序是否有數(shù)據(jù)發(fā)送的軟件中斷，若有，則通過緩沖串口發(fā)送到TJA1080。無數(shù)據(jù)讀寫的情況下，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(jù)需要，將TJA1080設(shè)置到低功耗狀態(tài)。如果讀取的數(shù)據(jù)的校驗錯誤較多，則表明無線通信當(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)，縮短無效通信時間。

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)計方法。使用C5509的緩沖串口連接總線控制器TJA1080，實現(xiàn)FlexRay總線的數(shù)據(jù)收發(fā)；使用TJA1080模塊的串口對數(shù)據(jù)操作。整個系統(tǒng)連接簡單，實用性強。

參考文獻(xiàn)

[1]  汪安民. TMS320C54xxDSP實用技術(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)用開發(fā)實用子程序[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.