基于FlexRay總線的通訊單元設(shè)計(jì)

摘要：FlexRay是符合下一代車載網(wǎng)絡(luò)要求的通訊協(xié)議。文章針對FlexRay汽車總線，給出一種通訊單元的設(shè)計(jì)方案。Freescale公司的16位汽車微控制器MC9S12XF512集成了雙通道FlexRay協(xié)議v2．1，通過FlexRay通訊控制器TJA1080實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和FlexRay總線的通信，并且通過GSM／GPRS模塊實(shí)現(xiàn)通訊功能。
關(guān)鍵詞：FlexRay；通訊單元；汽車微控制器；TJA1080A

0 引言
    隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度的與日俱增，車體內(nèi)應(yīng)用的ECU模塊數(shù)量的增加使得線束也隨之增加。另一方面，以網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)的線控技術(shù)(X-by-wire)將在汽車上普遍應(yīng)用。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。由FlexRay聯(lián)盟制定的FlexRay協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)成為一種理想的解決方案。它不僅是一個(gè)通信協(xié)議，它還包括特殊定義的高速發(fā)送和接收驅(qū)動(dòng)器，以及各種元件的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。
    汽車通訊系統(tǒng)的普及是汽車電子發(fā)展的一大方向。車載通訊系統(tǒng)是指裝載在汽車上的移動(dòng)通訊系統(tǒng)。其特點(diǎn)是以車為載體，同時(shí)能夠隨車移動(dòng)進(jìn)行無線信號的傳輸。它不僅包括車載電話，還包括汽車狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警、娛樂等功能。根據(jù)汽車本身具有移動(dòng)、分布、數(shù)量大的特點(diǎn)，數(shù)字蜂窩移動(dòng)通訊系統(tǒng)是較為理想的選擇。隨著“三網(wǎng)融合”技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議的GSM／GPRS模塊就可以實(shí)現(xiàn)基本的汽車通訊功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理
    本系統(tǒng)作為FlexRay總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，接收總線上傳輸來的信號，完成相關(guān)的通訊任務(wù)。FlexRay節(jié)點(diǎn)有兩種結(jié)構(gòu)，一種由微控制器、通訊控制器、總線控制器組成；一種由集成通訊控制器的微控制器、總線控制器組成。本系統(tǒng)采用后一種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    總線上的數(shù)據(jù)幀都將到達(dá)總線上所有的總線收發(fā)器。每一個(gè)總線收發(fā)器在收到總線數(shù)據(jù)幀后，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。在工作狀態(tài)下，微控制器可以訪問總線收發(fā)器的接收模塊和發(fā)送器，通過對其操作實(shí)現(xiàn)對物理層數(shù)據(jù)的收發(fā)。微控制器接收到相關(guān)總線信號后將其分成若干種任務(wù)，按照優(yōu)先級對這些任務(wù)進(jìn)行處理，喚醒GSM／GPRS模塊來執(zhí)行相應(yīng)的通訊任務(wù)或者通過總線收發(fā)器將處理后的結(jié)果發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)。GSM／GPRS模塊具有語音通話、短信(SMS)／彩信(MMS)收發(fā)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。   GSM／GPRS模塊與微控制器、總線收發(fā)器的電源電壓不同，所以對電源進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 總線收發(fā)器和微控制器的連接
    系統(tǒng)總線收發(fā)器選用恩智浦的TJA1080A。它是第一款成功通過FlexRay一致性測試并上市的FlexRay收發(fā)器。TJA1080A證明了FlexRay的強(qiáng)大性能與靈活便捷。它可提供廣泛的功能組合、卓越的EMC性能以及高效的ESD保護(hù)。TJA1080A總線收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，TJA1080A總線收發(fā)器主要由狀態(tài)機(jī)、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。

    系統(tǒng)的控制器采用Freescale的MC9S12XF512嵌入式微控制器。它集成的單／雙通道FlexRayv2．1，每通道支持2．5、5、8和10Mb／s的數(shù)據(jù)速率；FlexRay時(shí)鐘，采用頻率從4MHz到40MHz不等的水晶振蕩器，使用PLL(鎖相環(huán))實(shí)現(xiàn)成本和EMC的優(yōu)化；小巧的體積非常適合于一些空間受到嚴(yán)格限制的應(yīng)用；并且還集成了飛思卡爾的XGATE協(xié)處理器模塊。XGATE模塊的功能類似于主CPU的專用協(xié)處理器，其運(yùn)行速度是主CPU的兩倍，并且沒有任何CPU處理開銷，能夠提高系統(tǒng)性能，最高運(yùn)行性能達(dá)到100MIPS。從而在沒有提高成本的情況下提高了MCU的性能。
    TJA1080A和MC9S12XF512的連接如圖3所示。

    PH3和PH7是普通I／O口，作為TJA1080A的使能輸入，高電平有效。通過對MC9S12XF512的PH(0～7)、PJ(3～6)的端口復(fù)用與其FLexRay通信控制器相連。
2．2 GSM／GPRS的外圍電路設(shè)計(jì)
    PTM101模塊是一款超小體積的GSM／GPRS模塊，大小只有38×29mm×3mm。PTM101內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議和彩信MMS協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集和PUTAI增強(qiáng)命令集，可以提供豐富的語言和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。

    ANT為天線，為減少信號衰減，要求50 Ω的高頻阻抗控制。LED電路指示PTM101的工作狀態(tài)，當(dāng)SIM卡異?；驔]有注冊到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，PTM的STATUS OUT引腳輸出高電平，LED燈滅；而正常時(shí)該引腳電平以1s高電平，2s低電平的頻率跳變，LED燈閃爍。UART口是PTM101其與外部處理器通訊交互的唯一通道，即是接收外部AT命令實(shí)現(xiàn)其功能的唯一通道。該UART是常用的3線制串口(UTXD、URXD、GND)，由跳線選擇與微控制器MC9S12XF512或者通過RS232與PC機(jī)連接，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)置和傳輸。
2．3 電源模塊設(shè)計(jì)
    PTM101的電源電壓為4V，MC9S12XF512在單機(jī)模式下為12V供電，整個(gè)系統(tǒng)選用12VDC，然后進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換為符合PTM101需求的4VDC。
    為保證PTM101的射頻性能優(yōu)良，其供電電源要求較高。PTM101的待機(jī)電流只有2．2mA，但在附近基站信號很弱的時(shí)候，瞬時(shí)(約4.6ms)電流峰值可能會(huì)達(dá)到2A。因此要求電源電流峰值要能滿足2A，并且動(dòng)態(tài)性能良好。因此選用LM2596-ADJ作為電源電壓轉(zhuǎn)換芯片。它電壓轉(zhuǎn)換效率高，并且其3A、150kHz的性能參數(shù)完全滿足要求，電源模塊電路圖如圖5所示。

    VBAT的計(jì)算公式為：
   
    其中：Vref為1．23V

3 總結(jié)
    本文詳細(xì)介紹了基于FlexRay的通訊單元的設(shè)計(jì)。MC9S12XF512連接的總線控制器TJA1080A實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的數(shù)據(jù)收發(fā)；使用PTM101與MC9S12XF512相連，可以進(jìn)行語言通話，短信收發(fā)及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送。整個(gè)系統(tǒng)連接簡單，通過亮燈實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠完成基本的通訊功能，實(shí)用性強(qiáng)。