摘要

為了滿足下一代汽車電子控制系統單元的成本，PCB空間對高性能、高可靠性和高穩定性的要求有限。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，制作了多個汽車電控系統單元，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展越來越快，傳統的汽車總線系統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，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。

但在汽車電控系統中的一些重要環節，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單元，可應用于網絡系統中的車輛速度控制。

II.電控系統單元FlexRay通信模塊的設計

基于FlexRay總線協議和FlexRay通信原理，該裝置的電控系統設計主要由FlexRay總線收發器和微控制器、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總線節點的數據傳輸，但這種FlexRay通信系統使用的體積較大，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單元。作為一個獨立的總線FlexRay通信調節器的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總線收發器TJA080ATS/2包含兩個部分，分別是總線驅動模塊和總線監控模塊。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、高可靠性和穩定性的特點。

電控系統單元的具體介紹，如圖2所示。其主要由單片機控制的最小系統模塊、雙FlexRay總線收發電路模塊、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節點，兩個節點實現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.電控系統單元的軟件設計

本文中汽車電控系統單元的設計，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總線通信進行開發編程，默認的FlexRay觸發方式是基于時間觸發的總線通信。微控制器可以通過輪詢或中斷驅動的方式發出相應指令，供內部FlexRay控制器進行數據處理。圖3是一個完整的FlexRay總線通信單元開發編程層次結構。

圖3 FlexRay總線通信單元開發與編程結構本設計將網絡中的電子控制系統單元在FlexRay車體中按照規則集和FlexRay總線協議的要求，將數據時隙規則定期發送給FlexRay總線節點，同時，根據需要獲得所需的FlexRay總線節點時隙數據。雖然每個電控系統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、發送數據、接收數據。

A.初始化程序

初始化模塊包含鎖相環(PLL)初始化模塊、FlexRay系統初始化模塊、實時中斷模塊初始化和FlexRay系統時鐘模塊初始化以及輸入/輸出模塊初始化。汽車電控系統單元在中斷驅動模式下，其FlexRay系統初始化模塊包括：FlexRay控制器可以強制進入節點配置狀態，初始化FlexRay控制器的協議配置參數，初始化所有消息緩沖區，設置回調函數、定時器，結束節點配置狀態，初始化啟動，初始化消息緩沖區為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，可以用它來發送或接收相應的FlexRay節點ID插槽數據信息。微控制器通過FlexRay總線收發器節點準確地提供具體信息實施過程：單片微控制器將根據FlexRay協議的數據格式發送每個時隙的一個ID號數據信息，發送時隙的數據信息寫入緩存區;將開始發送的功能指令、時隙節點信息發送至總線。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.汽車電控系統單元通信測試結果的分析

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

在這兩個電子控制系統單元的FlexRay通信中，使用示波器的波形有節點總線，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單元體積小、功耗低、穩定性高、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，使電子控制系統單元能夠在重負荷下正常運行。但是，電子控制系統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、數據監控和數據存儲的動態部分還需要進一步研究和改進。

審核編輯：湯梓紅

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