基于GD32F407的FlexRay&CAN綜合分析儀設計

段鑫

（長沙碩博電機有限公司，湖南長沙，410221）

0 前言

隨著車輛的智能化和集成化的發(fā)展，對控制和通信總線的要求越來越高，目前廣泛使用的CAN總線已很難滿足技術(shù)發(fā)展的需求。如總線最高速率只有1Mbps；數(shù)據(jù)傳輸是基于響應優(yōu)先級和報文仲裁，數(shù)據(jù)延時具有不確定性；最高的有效傳輸效率只有50%等[2]。FlexRay總線在這種情況下應運而生，它采用時分基址的機制進行通信，具有實時性、可靠性、靈活性、高帶寬、高容錯性等優(yōu)勢，最高具有20Mbps的速率。具備冗余設計，多種拓撲連接方式，在節(jié)點布置上更加靈活[3]。

目前乘用車如奔馳、寶馬、領(lǐng)克等多種國內(nèi)外品牌的部分車型核心控制通信都升級為FlexRay總線[4]，但是由于零部件供應商的技術(shù)革新速度及成本問題，車輛上還存在CAN總線等要求不高設備，在進行車輛檢修和診斷時，總線數(shù)據(jù)要分開處理解析，不能集成化解決。

1 分析儀設計方案

本分析儀具備一個USB模塊，用于和電腦端上位機進行通信；一個CAN接口（終端電阻可以配置），用于和被測設備CAN總線進連接，一個FlexRay接口（終端電阻可以配置），用于和被測設備FlexRay總線連接；一個Flash模塊，用于存儲CAN和FlexRay配置信息。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

電腦端上位機軟件通過配置軟件配置好CAN和FlexRay總線網(wǎng)絡信息。分別啟動總線后，分析儀的CAN和FlexRay接口將被測總線上的數(shù)據(jù)接收到主控芯片，主控芯片將數(shù)據(jù)在通過FIFO的形式，通過USB接口上傳到電腦端上位機軟件，電腦端上位機軟件接收到上傳的數(shù)據(jù)后，分別進行分析處理。

2 硬件設計

2.1 主控芯片選擇

FlexRay的最高速率達到20Mpbs，數(shù)據(jù)量一幀最大有254字節(jié)，而且還需要對CAN數(shù)據(jù)進行分析和USB數(shù)據(jù)的上傳，本分析儀需要一顆處理能力強的主控芯片，本分析儀采用兆易創(chuàng)新公司的GD32F407VGT6芯片，此芯片主頻為168MHz，一路USB主/從外設，2路CAN總線，3路SPI總線，內(nèi)核為ARM Cortex-M4，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力。

2.2 電源系統(tǒng)設計

本分析儀采用電腦USB口進行供電，供電電源為DC5V，最大電流500mA。為防止燒毀電腦USB口，在電源電路上需設計一個自恢復保險。選用A250-200，額定電流200mA，動作電流400mA，可有效保護電腦USB端口。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，外部總線接口電源和內(nèi)部電源隔離。系統(tǒng)內(nèi)部需要用到的電源有DC3.3V，DC5V，隔離總線需要用到的電源有DC5V，DC12V。電源原理圖如圖2所示。

圖2 電源原理圖

2.3 CAN電路設計

GD32F407芯片自帶CAN控制器，外部只需擴展CAN物理層處理電路。CAN接口是對外的，為提高抗干擾能力，此接口需做隔離處理，隔離芯片采用納芯微電子的容耦技術(shù)隔離芯片NSi8021，該芯片的數(shù)據(jù)速率：10Mbps，隔離電壓：3kVrms；共模抑制比：100kV/us。

CAN物理層芯片選用芯力特的SIT82C251，此芯片最高支持1Mbps波特率，完全兼容“ISO 11898-24 V”標準，至少允許 110 個節(jié)點連接到總線，具有高抗電磁干擾能力。可應用于卡車、公 交、小汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

CAN隔離及物理層原理圖如圖3所示。

圖3 CAN隔離及物理層原理圖

2.4 FlexRay電路設計

FlexRay控制器采用恩智浦MFR4310芯片，此芯片支持可變比特率：2.5、5、8和10 Mbps、128個可配置消息緩沖區(qū)、兩個獨立的接收FIFO，可分別對應2個獨立的收發(fā)通道。GD32F407VGT6芯片通過EXMC并行接口和MFR4310進行數(shù)據(jù)交互，當有事件產(chǎn)生時，通過中斷的方式通知主控芯片進行處理。當A、B兩通道復用時，F(xiàn)lexRay總線的速率最大20Mpbs。FlexRay控制器電路如圖4所示。

圖4 FlexRay控制器電路

為增加硬件的可靠性，F(xiàn)lexRay總線采用信號隔離設計，為減少波形畸變和信號延時，采用數(shù)據(jù)速率為150Mpbs的納芯微電子數(shù)字隔離芯片NSI8142做隔離。該芯片具有4通道：兩路輸入，兩路輸出。兩路輸入用于接收和接收使能信號，兩路輸出用于發(fā)送和發(fā)送使能信號，單片芯片剛好滿足一路FlexRay電路隔離需求。隔離電路如圖5所示。

圖5 FlexRay隔離電路圖

FlexRay物理層芯片采用恩智浦的TJA1080A芯片，總線對外接口的終端電阻通過開關(guān)選擇使用，物理層驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 FlexRay物理層電路圖

2.5 USB接口電路設計

GD32F407VGT6芯片具有USB主/從設備控制器，為防止浪涌電壓沖擊，USB接口需要增加保護芯片，保護芯片采用臺舟電子的PRTR5V0U2X，USB電路如圖7所示。

圖7 測試用戶界面

圖7 USB接口電路圖

2.6 Flash電路設計

Flash電路用于存儲總線通信配置參數(shù)，采用兆易創(chuàng)新的串行Flash芯片GD25Q32CSIGR，此芯片具有32Mbit存儲資源，每頁具有256字節(jié)。該芯片通過SPI接口和主控芯片連接，電路圖如圖8所示。

圖8 串行Flash電路圖

3 軟件設計

軟件分為兩部分：下位機軟件，運行在分析儀硬件上；上位機軟件，運行在電腦端。

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件由CAN總線驅(qū)動、CAN數(shù) 據(jù)FIFO結(jié) 構(gòu)、FlexRay總線驅(qū)動、FlexRay數(shù)據(jù)FIFO結(jié)構(gòu)、USB從設備驅(qū)動和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Flash驅(qū)動等。軟件框圖如圖9所示。

圖9 軟件框圖

電腦端上位機軟件通過USB接口將總線的配置數(shù)據(jù)發(fā)送下來，并存儲到Flash中。在上電時，分析儀將從Flash中直接讀取設置的參數(shù)進行網(wǎng)絡的初始化，避免重復的網(wǎng)絡參數(shù)設置（FlexRay網(wǎng)絡參數(shù)多，重復設置麻煩）。

CAN總線根據(jù)設置的波特率、ID濾波方式，工作模式（只接收，只發(fā)送，正常接收），進行CAN控制器的初始化，采用64級FIFO模式，將數(shù)據(jù)進行先入先出的管理，能有效防止數(shù)據(jù)被覆蓋。

FlexRay總線需要設置正確的網(wǎng)絡參數(shù)才能進行通信。網(wǎng)絡參數(shù)包含全局網(wǎng)絡參數(shù)和局部網(wǎng)絡參數(shù)，例如：周期、靜態(tài)時隙個數(shù)、靜態(tài)時槽長度、靜態(tài)時隙數(shù)據(jù)個數(shù)、動態(tài)時隙個數(shù)、動態(tài)時槽長度、動態(tài)時隙數(shù)據(jù)個數(shù)、網(wǎng)絡向量長度等等。

FlexRay通過兩個獨立的MFR4310內(nèi)部接收FIFO分別接收通道A和通道B中的數(shù)據(jù)，通過中斷的方式通知主控制芯片提取數(shù)據(jù)，主控芯片接收到FIFO中斷時，將數(shù)據(jù)從并口取出，并存入到主控芯片內(nèi)部建立的256級FIFO中，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)以模擬中斷的形式傳輸?shù)诫娔X端上位機軟件。

當需要模擬節(jié)點發(fā)送時，F(xiàn)lexRay發(fā)送時隙配置到128個消息郵箱中，通過映射對應關(guān)系，將需要發(fā)送的時隙數(shù)據(jù)發(fā)送到FlexRay總線中。

3.2 上位機軟件設計

分析儀電腦端上位機軟件主界面如圖10所示。

圖10 電腦端上位機軟件主界面

參數(shù)設置項的功能：配置CAN和FlexRay總線網(wǎng)絡參數(shù)；數(shù)據(jù)顯示項的功能：接收兩個總線的數(shù)據(jù)并顯示，并按需要記錄接收到的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送項的功能：配置總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并可設置發(fā)送方式、次數(shù)等；CAN數(shù)據(jù)波形顯示項的功能：從CAN總線接收到數(shù)據(jù)選擇出關(guān)鍵數(shù)據(jù)以波形的形式顯示；FlexRay數(shù)據(jù)波形顯示項的功能：從FlexRay總線接收到數(shù)據(jù)選擇出關(guān)鍵數(shù)據(jù)以波形的形式顯示；歷史數(shù)據(jù)分析項的功能為：將保存的數(shù)據(jù)打開進行數(shù)據(jù)回放分析；固件升級項的功能：對分析儀進行軟件更新；幫助項的功能：軟件各個界面下每個組件的功能介紹，幫助用戶快速使用軟件。

4 結(jié)語

本設計完成了一種FlexRay和CAN綜合分析儀，大部分元器件采用國產(chǎn)化設計，相對國外的CANoe設備而言，具有非常大的經(jīng)濟實用價值，國內(nèi)暫時還沒有FlexRay專用分析儀產(chǎn)品面世。而且這款分析儀可同時對FlexRay和CAN總線進行數(shù)據(jù)分析，在具有FlexRay總線的車輛設計、調(diào)試、檢修等過程中使用更加便捷。

本設計中上位機軟件功能還不夠完善，只能完成初步數(shù)據(jù)分析功能，后續(xù)還需增加專用協(xié)議解析、節(jié)點模擬等功能，界面還需進行美化。