汽車電子控制系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)方案

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(duì)高性能、高可靠性和高穩(wěn)定性的要求有限。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)車身布局和車身控制要求。本文詳細(xì)介紹了汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)和開發(fā)，制作了多個(gè)汽車電控系統(tǒng)單元，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了基于FlexRay總線的通信測(cè)試。該設(shè)計(jì)的控制單元具有獨(dú)立的總線控制器，可以方便地與其他ECU連接進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

I.簡(jiǎn)介

如今汽車電子技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，傳統(tǒng)的汽車總線系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足汽車高速傳輸?shù)目煽啃砸?，隨著汽車電子控制單元(ECU)的出現(xiàn)，多個(gè)子系統(tǒng)之間要共享的大容量數(shù)據(jù)信息要求越來(lái)越高，對(duì)汽車控制系統(tǒng)的信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求也越來(lái)越高。目前流行的汽車總線網(wǎng)絡(luò)由LIN總線和can總線網(wǎng)絡(luò)以及最新的FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)組成，而車載以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)只是被提及，目前還沒有車載以太網(wǎng)，只有歐洲的幾個(gè)機(jī)構(gòu)開發(fā)，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)在今天的實(shí)際應(yīng)用還不成熟，在國(guó)內(nèi)還不普及，而相對(duì)而言，車載網(wǎng)絡(luò)總線中，CAN總線應(yīng)用最廣泛，應(yīng)用技術(shù)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(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的傳輸速度、安全性，汽車電控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)、CAN已經(jīng)不能滿足要求，所以基于FlexRay總線單元的汽車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常有意義的。

基于FlexRay總線技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電子控制系統(tǒng)單元，可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

基于FlexRay總線協(xié)議和FlexRay通信原理，該裝置的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由FlexRay總線收發(fā)器和微控制器、獨(dú)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(lái)控制MFR4310，通過(guò)TJA1080芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)FlexRay總線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)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(fù)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(qū)動(dòng)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(gè)獨(dú)立的總線FlexRay通信調(diào)節(jié)器的MC9S12XF512微控制器芯片里面包含三個(gè)部分，分別是FlexRay通信控制器、速度12內(nèi)核和獨(dú)立總線控制器，F(xiàn)lexRay總線收發(fā)器TJA080ATS/2包含兩個(gè)部分，分別是總線驅(qū)動(dòng)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(jī)是飛思卡爾嵌入式雙路FLexRay V2.1系列的新型汽車單片機(jī)，包括高速、低功耗、高穩(wěn)定性、低價(jià)格、小體積等特點(diǎn)，具有2路FlexRay。實(shí)踐證明，采用MC9S12XF512和TJA1080ATS/2的FlexRay通信模塊，外圍擴(kuò)展能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，并具有高性能、高可靠性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

電控系統(tǒng)單元的具體介紹，如圖2所示。其主要由單片機(jī)控制的最小系統(tǒng)模塊、雙FlexRay總線收發(fā)電路模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位和BDM調(diào)試接口電路模塊、電源模塊和獨(dú)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(jié)構(gòu)圖

A.FlexRay通信模塊

FlexRay通信模塊是由微控制器的單片機(jī)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(shè)計(jì)了兩條路，一條路是通過(guò)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(guò)單片機(jī)PH4、PH5、PH6、PH7、PJ4、PJ6的六個(gè)端口引腳與另一個(gè)TJA1080ATS/2引腳連接在一起，兩種方式由BP和PM引腳通過(guò)濾波電路分別連接到FlexRay總線的輸出和FlexRay總線的B節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路、電源電路和復(fù)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(lái)給微控制器、時(shí)鐘、FlexRay總線收發(fā)器等提供電源電壓。

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

復(fù)位、BDM電路主要采用單片機(jī)的后臺(tái)調(diào)試(Background was Debugging Mode，BDM)功能，不需要模擬器，可以實(shí)現(xiàn)所有硬件斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)、在線調(diào)試、總線調(diào)試，為單片機(jī)程序在總線上寫入調(diào)試FlexRay提供方便。

C.獨(dú)立總線接口模塊

獨(dú)立總線接口模塊主要是將單片機(jī)與外部傳感器、執(zhí)行器等連接，獨(dú)立總線接口電路主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、總線信號(hào)匹配功能。

III.電控系統(tǒng)單元的軟件設(shè)計(jì)

本文中汽車電控系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)，其應(yīng)用軟件主要是在MC9S12XF512芯片上編寫的。對(duì)每個(gè)電子控制單元的FlexRay總線通信進(jìn)行開發(fā)編程，默認(rèn)的FlexRay觸發(fā)方式是基于時(shí)間觸發(fā)的總線通信。微控制器可以通過(guò)輪詢或中斷驅(qū)動(dòng)的方式發(fā)出相應(yīng)指令，供內(nèi)部FlexRay控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖3是一個(gè)完整的FlexRay總線通信單元開發(fā)編程層次結(jié)構(gòu)。

圖3 FlexRay總線通信單元開發(fā)與編程結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)將網(wǎng)絡(luò)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(xié)議的要求，將數(shù)據(jù)時(shí)隙規(guī)則定期發(fā)送給FlexRay總線節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，根據(jù)需要獲得所需的FlexRay總線節(jié)點(diǎn)時(shí)隙數(shù)據(jù)。雖然每個(gè)電控系統(tǒng)單元的程序不盡相同，但在FlexRay通信模塊的設(shè)置和初始化方面的通用功能是一致的，可以分為：初始化設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。

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(shí)時(shí)中斷模塊初始化和FlexRay系統(tǒng)時(shí)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(qū)動(dòng)模式下，其FlexRay系統(tǒng)初始化模塊包括：FlexRay控制器可以強(qiáng)制進(jìn)入節(jié)點(diǎn)配置狀態(tài)，初始化FlexRay控制器的協(xié)議配置參數(shù)，初始化所有消息緩沖區(qū)，設(shè)置回調(diào)函數(shù)、定時(shí)器，結(jié)束節(jié)點(diǎn)配置狀態(tài)，初始化啟動(dòng)，初始化消息緩沖區(qū)為0，啟動(dòng)，啟動(dòng)定時(shí)器T1，啟動(dòng)定時(shí)器T2的相應(yīng)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(shù)據(jù)程序

初始化微控制器和FlexRay模塊成功后，可以用它來(lái)發(fā)送或接收相應(yīng)的FlexRay節(jié)點(diǎn)ID插槽數(shù)據(jù)信息。微控制器通過(guò)FlexRay總線收發(fā)器節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確地提供具體信息實(shí)施過(guò)程：?jiǎn)纹⒖刂破鲗⒏鶕?jù)FlexRay協(xié)議的數(shù)據(jù)格式發(fā)送每個(gè)時(shí)隙的一個(gè)ID號(hào)數(shù)據(jù)信息，發(fā)送時(shí)隙的數(shù)據(jù)信息寫入緩存區(qū);將開始發(fā)送的功能指令、時(shí)隙節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送至總線。FlexRay的數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。

圖5 FlexRay數(shù)據(jù)傳輸流程圖

圖6 FlexRay數(shù)據(jù)接收流程圖

C.接收數(shù)據(jù)程序

FlexRay的數(shù)據(jù)時(shí)隙接收節(jié)點(diǎn)既可以在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模式下訓(xùn)練，也可以在中斷驅(qū)動(dòng)模式下工作，本文設(shè)定的電子控制單元工作在中斷驅(qū)動(dòng)模式下接收數(shù)據(jù)，例如[7]。FlexRay接收數(shù)據(jù)的流程圖如圖6所示。

IV.汽車電控系統(tǒng)單元通信測(cè)試結(jié)果的分析

在汽車電控系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)電控系統(tǒng)單元通過(guò)FlexRay通信模塊連接到FlexRay節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了FlexRay總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收測(cè)試。當(dāng)給予+12v電壓使其工作時(shí)，F(xiàn)lexRay總線節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)電控系統(tǒng)單元分別按照設(shè)定的ID和CRC發(fā)送和接收相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

在這兩個(gè)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(diǎn)總線，因?yàn)镕lexRay總線是雙絞線，兩個(gè)BM和BP的FlexRay總線連接是差異信號(hào)，提供雙軌示波器來(lái)比較這兩個(gè)測(cè)試，其波形圖見下圖7。

圖7 FlexRay通信節(jié)點(diǎn)波形圖

在狹小時(shí)間里，得到了如圖8所示的部分波形圖。

圖8 FlexRay總線通信數(shù)據(jù)幀部分波形圖

V.總結(jié)

實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)基于FlexRay總線技術(shù)，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(jià)格便宜。特別是FlexRay數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)采用了協(xié)同處理器，它可以為任何外圍模塊服務(wù)，這些無(wú)疑減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)，使電子控制系統(tǒng)單元能夠在重負(fù)荷下正常運(yùn)行。但是，電子控制系統(tǒng)單元還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，如果投入到實(shí)際的汽車應(yīng)用中，通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用、數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)部分還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

審核編輯：湯梓紅

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