基于TJA1080的FlexRay总线接口设计

摘要 介绍基于TJA1080的FlexRay总线在数字信号处理器（DSP）C5509上的实现。整个系统以DSP为核心，采用TJA1080总线控制器实现FlexRay通信协议，进行数据收发；制造简单，集成度高，功耗低，适用于车内多种电子设备的局域总线实现。
关键词 FlexRay 总线  TJA1080  C5509

引言

　　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。从图中可以看出，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。

图1  TJA1080结构框图

　　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。

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。

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。

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。

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。

参考文献

[1]  汪安民. TMS320C54xxDSP实用技术[M]. 第2版. 北京：清华大学出版社，2006.
[2]  汪安民，程昱．DSP应用开发实用子程序[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.
[3]  Texas Instruments Inc. C5509 Dual-Core Processor Data Manual，2004.
[4]  Philips Semiconductors Corp. TJA1080 Data Sheet FlexRay Transceiver，2006.