摘要

為了滿足下一代汽車電子控制系統(tǒng)單元的成本，PCB空間對高性能、高可靠性和高穩(wěn)定性的要求有限。本文設計了一個16位的飛思卡爾MCU MC9S12XF512作為汽車電控系統(tǒng)單元的主控芯片。它以FlexRay總線技術為基礎，針對車身布局和車身控制要求。本文詳細介紹了汽車電控系統(tǒng)結構單元的設計，包括控制模塊的主控芯片、FlexRay總線通信模塊及其外圍電路的硬件設計和軟件設計過程。通過實際設計和開發(fā)，制作了多個汽車電控系統(tǒng)單元，并通過軟件編程實現了基于FlexRay總線的通信測試。該設計的控制單元具有獨立的總線控制器，可以方便地與其他ECU連接進行高速數據傳輸。

I.簡介

如今汽車電子技術發(fā)展越來越快，傳統(tǒng)的汽車總線系統(tǒng)已經不能滿足汽車高速傳輸的可靠性要求，隨著汽車電子控制單元(ECU)的出現，多個子系統(tǒng)之間要共享的大容量數據信息要求越來越高，對汽車控制系統(tǒng)的信息傳輸的實時性和可靠性要求也越來越高。目前流行的汽車總線網絡由LIN總線和can總線網絡以及最新的FlexRay總線網絡組成，而車載以太網總線網絡只是被提及，目前還沒有車載以太網，只有歐洲的幾個機構開發(fā)，FlexRay網絡在今天的實際應用還不成熟，在國內還不普及，而相對而言，車載網絡總線中，CAN總線應用最廣泛，應用技術也比較成熟和完善。

但在汽車電控系統(tǒng)中的一些重要環(huán)節(jié)，特別是對實時性要求極高的傳輸速度、安全性，汽車電控系統(tǒng)中的網絡、CAN已經不能滿足要求，所以基于FlexRay總線單元的汽車電控系統(tǒng)設計是非常有意義的。

基于FlexRay總線技術，本文設計了一個電子控制系統(tǒng)單元，可應用于網絡系統(tǒng)中的車輛速度控制。

II.電控系統(tǒng)單元FlexRay通信模塊的設計

基于FlexRay總線協議和FlexRay通信原理，該裝置的電控系統(tǒng)設計主要由FlexRay總線收發(fā)器和微控制器、獨立的總線接口和一些外圍電路組成。一般的FlexRay通信系統(tǒng)是利用PCI芯片的FPGA模塊來控制MFR4310，通過TJA1080芯片來實現FlexRay總線節(jié)點的數據傳輸，但這種FlexRay通信系統(tǒng)使用的體積較大，而且成本較高，硬件電路模塊又比較復雜。因此，本文采用嵌入式由FlexRay總線接口控制器MC9S12XF512芯片和TJA1080ATS/2總線驅動電路及一些外圍電路組成的汽車電控系統(tǒng)單元。作為一個獨立的總線FlexRay通信調節(jié)器的MC9S12XF512微控制器芯片里面包含三個部分，分別是FlexRay通信控制器、速度12內核和獨立總線控制器，FlexRay總線收發(fā)器TJA080ATS/2包含兩個部分，分別是總線驅動模塊和總線監(jiān)控模塊。FlexRay通信模塊的硬件圖如圖1所示。

圖1 FlexRay通信模塊硬件圖

MC9S12XF512單片機是飛思卡爾嵌入式雙路FLexRay V2.1系列的新型汽車單片機，包括高速、低功耗、高穩(wěn)定性、低價格、小體積等特點，具有2路FlexRay。實踐證明，采用MC9S12XF512和TJA1080ATS/2的FlexRay通信模塊，外圍擴展能力強，抗干擾能力強，體積小，并具有高性能、高可靠性和穩(wěn)定性的特點。

電控系統(tǒng)單元的具體介紹，如圖2所示。其主要由單片機控制的最小系統(tǒng)模塊、雙FlexRay總線收發(fā)電路模塊、時鐘模塊、復位和BDM調試接口電路模塊、電源模塊和獨立總線接口電路模塊等組成。

圖2 電子控制系統(tǒng)單元硬件結構圖

A.FlexRay通信模塊

FlexRay通信模塊是由微控制器的單片機MC9S12XF512的FlexRay總線接口和NXP公司的雙FlexRay收發(fā)器TJA1080ATS/2組成的電路和一些濾波電容電阻組成，本文為FlexRay總線通信模塊設計了兩條路，一條路是通過微控制器上的PH1和PH2、PH5、PJ5、PH3、PJ3的TXD引腳與FlexRay總線收發(fā)器，TXEN、RXD、RXEN、ENSTBN連接在一起，另一路是通過單片機PH4、PH5、PH6、PH7、PJ4、PJ6的六個端口引腳與另一個TJA1080ATS/2引腳連接在一起，兩種方式由BP和PM引腳通過濾波電路分別連接到FlexRay總線的輸出和FlexRay總線的B節(jié)點，兩個節(jié)點實現FlexRay總線的數據通信。設計濾波電路是為了增加FlexRay總線通信模塊的電磁干擾和抗干擾能力。

B.外圍模塊

外圍模塊包括時鐘電路、電源電路和復位電路模塊、BDM。

電源電路可以有很多方案，本文用LM2940搭建的電源電路，就是用來給微控制器、時鐘、FlexRay總線收發(fā)器等提供電源電壓。

時鐘電路主要是給單芯片微控制器提供足夠的時鐘頻率，使單芯片微機能夠高速工作。

復位、BDM電路主要采用單片機的后臺調試(Background was Debugging Mode，BDM)功能，不需要模擬器，可以實現所有硬件斷點、條件斷點、在線調試、總線調試，為單片機程序在總線上寫入調試FlexRay提供方便。

C.獨立總線接口模塊

獨立總線接口模塊主要是將單片機與外部傳感器、執(zhí)行器等連接，獨立總線接口電路主要實現驅動、總線信號匹配功能。

III.電控系統(tǒng)單元的軟件設計

本文中汽車電控系統(tǒng)單元的設計，其應用軟件主要是在MC9S12XF512芯片上編寫的。對每個電子控制單元的FlexRay總線通信進行開發(fā)編程，默認的FlexRay觸發(fā)方式是基于時間觸發(fā)的總線通信。微控制器可以通過輪詢或中斷驅動的方式發(fā)出相應指令，供內部FlexRay控制器進行數據處理。圖3是一個完整的FlexRay總線通信單元開發(fā)編程層次結構。

圖3 FlexRay總線通信單元開發(fā)與編程結構本設計將網絡中的電子控制系統(tǒng)單元在FlexRay車體中按照規(guī)則集和FlexRay總線協議的要求，將數據時隙規(guī)則定期發(fā)送給FlexRay總線節(jié)點，同時，根據需要獲得所需的FlexRay總線節(jié)點時隙數據。雖然每個電控系統(tǒng)單元的程序不盡相同，但在FlexRay通信模塊的設置和初始化方面的通用功能是一致的，可以分為：初始化設置、發(fā)送數據、接收數據。

A.初始化程序

初始化模塊包含鎖相環(huán)(PLL)初始化模塊、FlexRay系統(tǒng)初始化模塊、實時中斷模塊初始化和FlexRay系統(tǒng)時鐘模塊初始化以及輸入/輸出模塊初始化。汽車電控系統(tǒng)單元在中斷驅動模式下，其FlexRay系統(tǒng)初始化模塊包括：FlexRay控制器可以強制進入節(jié)點配置狀態(tài)，初始化FlexRay控制器的協議配置參數，初始化所有消息緩沖區(qū)，設置回調函數、定時器，結束節(jié)點配置狀態(tài)，初始化啟動，初始化消息緩沖區(qū)為0，啟動，啟動定時器T1，啟動定時器T2的相應中斷等。FlexRay的初始化流程圖如圖4所示。

圖4 FlexRay初始化流程圖單元

B.發(fā)送數據程序

初始化微控制器和FlexRay模塊成功后，可以用它來發(fā)送或接收相應的FlexRay節(jié)點ID插槽數據信息。微控制器通過FlexRay總線收發(fā)器節(jié)點準確地提供具體信息實施過程：單片微控制器將根據FlexRay協議的數據格式發(fā)送每個時隙的一個ID號數據信息，發(fā)送時隙的數據信息寫入緩存區(qū);將開始發(fā)送的功能指令、時隙節(jié)點信息發(fā)送至總線。FlexRay的數據流程圖如圖5所示。

圖5 FlexRay數據傳輸流程圖

圖6 FlexRay數據接收流程圖

C.接收數據程序

FlexRay的數據時隙接收節(jié)點既可以在旋轉驅動模式下訓練，也可以在中斷驅動模式下工作，本文設定的電子控制單元工作在中斷驅動模式下接收數據，例如[7]。FlexRay接收數據的流程圖如圖6所示。

IV.汽車電控系統(tǒng)單元通信測試結果的分析

在汽車電控系統(tǒng)單元的設計中，兩個電控系統(tǒng)單元通過FlexRay通信模塊連接到FlexRay節(jié)點，實現了FlexRay總線的數據發(fā)送和接收測試。當給予+12v電壓使其工作時，FlexRay總線節(jié)點中的兩個電控系統(tǒng)單元分別按照設定的ID和CRC發(fā)送和接收相應的測試數據。

在這兩個電子控制系統(tǒng)單元的FlexRay通信中，使用示波器的波形有節(jié)點總線，因為FlexRay總線是雙絞線，兩個BM和BP的FlexRay總線連接是差異信號，提供雙軌示波器來比較這兩個測試，其波形圖見下圖7。

圖7 FlexRay通信節(jié)點波形圖

在狹小時間里，得到了如圖8所示的部分波形圖。

圖8 FlexRay總線通信數據幀部分波形圖

V.總結

實踐證明，本設計基于FlexRay總線技術，以MC9S12XF512為核心的汽車車身電控系統(tǒng)單元體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、價格便宜。特別是FlexRay數據通信具有更高的傳輸速度，更高的可靠性和穩(wěn)定性，以及更好的抗干擾能力。

微控制器的設計采用了協同處理器，它可以為任何外圍模塊服務，這些無疑減輕了CPU的工作負擔，使電子控制系統(tǒng)單元能夠在重負荷下正常運行。但是，電子控制系統(tǒng)單元還需要進一步的研究和改進，如果投入到實際的汽車應用中，通信網絡的應用、數據監(jiān)控和數據存儲的動態(tài)部分還需要進一步研究和改進。

審核編輯：湯梓紅

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