嵌入式DSP上實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的方法

引 言
????? FlexRay總線是最近推出的一種采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))連接，借助無(wú)屏蔽或屏蔽雙絞線電纜的先進(jìn)高速串行同步和異步通信系統(tǒng)。FlexRay總線具有故障容限，可提供500kbps～10 Mbps的確定數(shù)據(jù)傳輸速率和24位CRC(循環(huán)冗余)校驗(yàn)碼。FlexRay是一種時(shí)間觸發(fā)型總線，所有的子系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)隙進(jìn)行連續(xù)通信。FlexRay總線的推出可以解決目前車載多種電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題，而早期的CAN總線和LIN總線已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代車載電子設(shè)備的高速通信要求。

????? 本文介紹一種在嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)OMAP5912上實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的方法。FlexRay總線負(fù)責(zé)將各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP，DSP負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。由于系統(tǒng)采用了DSP，因此可以對(duì)車載電子的語(yǔ)音和圖像數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法進(jìn)行處理。本文著重討論DSP和FlexRay總線的軟硬件連接。

1 FIexRay總線及其控制器MFR4200
?????? FlexRay總線是一種全新的總線系統(tǒng)。其主要特性有：

????? ①支持雙通信通道，每個(gè)通道的速率均達(dá)到lO Mbps。與CAN協(xié)議相比，可用的帶寬提高了lO～40倍。
????? ②總線數(shù)據(jù)的訪問(wèn)是基于同步時(shí)基的。該時(shí)基通過(guò)協(xié)議自動(dòng)建立和同步，并提供給應(yīng)用層。時(shí)基的精確度介于0．5 μs和10μs之間。由于采用同步時(shí)基，消息在通信周期中擁有固定位置，接收器已經(jīng)提前知道，消息到達(dá)的時(shí)間，因此可以根據(jù)時(shí)間對(duì)各種特殊情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。
????? ③FlexRay總線提供消息冗余傳輸或非冗余傳輸兩種選擇，系統(tǒng)可以進(jìn)行優(yōu)化，以提高可用性或吞吐量，用戶無(wú)需調(diào)整現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)中的軟件就可以擴(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)；同時(shí)，支持總線或星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FlexRay總線提供了大量配置參數(shù)，可以支持對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，如通信周期的持續(xù)時(shí)間、消息長(zhǎng)度等，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

????? FlexRay總線的這些特性使其可以用于替代CAN總線，適合車載骨干網(wǎng)絡(luò)、分布式控制系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。目前已有多家公司生產(chǎn)FlexRay總線控制器。這里選用Freescale公司的MFR4200總線控制器，介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及和DSP的軟硬件連接方法。

????? MFR4200總線控制器的內(nèi)部功能框圖如圖1所示。從圖中可以看出，MFR4200總線控制器主要由物理層接收／發(fā)送通道、主機(jī)HCSl2接口、MEM控制器、電源管理模塊以及時(shí)鐘管理模塊等多個(gè)部分組成。

????? 物理層通道有兩個(gè)獨(dú)立的接收／發(fā)送通道，每個(gè)通道的速率均達(dá)到10 Mbps。在工作狀態(tài)下，主機(jī)可以訪問(wèn)MFR4200的接收通道FIFO和發(fā)送消息緩沖區(qū)；通過(guò)對(duì)FIFO和消息緩沖區(qū)的配置、控制和讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層數(shù)據(jù)的收發(fā)。接收FIFO最大可以存儲(chǔ)59個(gè)消息，總線上 的數(shù)據(jù)幀都將到達(dá)總線上所有的MFR4200。每一個(gè)MFR4200在收到總線數(shù)據(jù)幀后，都將經(jīng)過(guò)接收濾波器；濾波器將不屬于自己地址的數(shù)據(jù)幀濾除，只將屬于自己的數(shù)據(jù)幀和廣播幀存儲(chǔ)到接收FIFO中。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
????? 整個(gè)系統(tǒng)由OMAP5912、MFR4200、AD／DA、人機(jī)接口以及Flash組成，硬件連接如圖2所示。圖中，DSP是核心控制單元；AD用于將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，DA將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；人機(jī)接口包括LCD和鍵盤接口；Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上電調(diào)用。此外，將DSP的HPI接口連接到PC機(jī)，這樣所有的總線數(shù)據(jù)均可以通過(guò)PC機(jī)存儲(chǔ)和顯示，PC機(jī)的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)DSP發(fā)送到總線上?？梢愿鶕?jù)不同的需要選擇PC機(jī)或者LCD和鍵盤。圖中，EMIFS(External MemoryInterface Slow)是OMAP5912的慢速外部存儲(chǔ)器接口。

????? AD負(fù)責(zé)采集電子設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以是溫度傳感器數(shù)據(jù)、顏色傳感器數(shù)據(jù)，也可以是語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)或者其他信號(hào)。DSP對(duì)這些數(shù)據(jù)處理后，將處理后的結(jié)果根據(jù)不同的情況通過(guò)MFR4200發(fā)送到總線上的其他節(jié)點(diǎn)；相反，DSP通過(guò)MFR4200讀取總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，DSP對(duì)這些數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，將結(jié)果發(fā)送到DA，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本節(jié)點(diǎn)電子設(shè)備狀態(tài)的控制。

3 MFR4200和OMAP5912的硬件設(shè)計(jì)
????? MFR4200和OMAP5912的連接是系統(tǒng)硬件連接的關(guān)鍵，具體連接如圖3所示。使用OMAP5912的EMIFS接口連接MFR4200。EMIFS可以方便地和外部Flash、異步SRAM等設(shè)備連接。本系統(tǒng)的MFR4200控制器模塊FlexRay總線協(xié)泌，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbps，OMAP5912的EMIFS接口適合滿足其速度要求。

????? MFR4200和OMAP5912的EMIFS連接，MFR4200作為OMAP5912的外部16位從異步設(shè)備。由于OMAP5912的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度為32位，而MFR4200的數(shù)據(jù)總線寬度為16位，因此，將每32位數(shù)據(jù)分成兩個(gè)16位數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)MFR4200有數(shù)據(jù)上傳時(shí)，使用INT_CC引腳發(fā)送中斷信號(hào)到OMAP5912的外部中斷引腳EXT_INT4，OMAP5912根據(jù)當(dāng)前自身的工作情況來(lái)處理和MFR4200的通信。OMAP5912也可以使用通用I／O引腳控制MFR4200的復(fù)位信號(hào)，當(dāng)連續(xù)多次未收到MFR4200的響應(yīng)信號(hào)時(shí)，OMAP5912可以軟件復(fù)位MFR4200，從而避免通信的互鎖現(xiàn)象。此外，MFR4200的#IF_SEL0和#IF_SELl引腳上拉后直接連接到物理層。

4 MFR4200和OMAP5912的軟件設(shè)計(jì)
???? MFR4200的初始化流程如圖4所示。首先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電壓，可以是5 V和3．3V。由于本系統(tǒng)和OMAP5912連接，采用3．3 V標(biāo)準(zhǔn)電壓。初始化設(shè)置數(shù)據(jù)和地址總線后，讀取MFR4200的MNR(Magic Number Register)寄存器。一旦MFR4200初始化成功，該寄存器內(nèi)容為0x0815，之后，就可以設(shè)置MFR4200的其他寄存器，進(jìn)行正常的總線數(shù)據(jù)讀寫。

??? OMAP5912和MFR4200的數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，OMAP5912判斷當(dāng)前是否有數(shù)據(jù)讀寫。數(shù)據(jù)的讀是通過(guò)判斷是否有掛起的硬件中斷，該中斷由MFR4200產(chǎn)生，一旦MFR4200收到總線數(shù)據(jù)幀，都將發(fā)出該中斷；數(shù)據(jù)寫是通過(guò)判斷上層程序是否有數(shù)據(jù)發(fā)的軟件中斷。無(wú)數(shù)據(jù)讀寫情況下，OMAP5912將定期發(fā)送測(cè)試命令到MFR4200，以便確定MFR4200在正常工作。也可以根據(jù)需要，將MFR4200設(shè)置到低功耗狀態(tài)，這樣就不需要發(fā)送測(cè)試命令。如果讀取的數(shù)據(jù)的校驗(yàn)錯(cuò)誤較多．則表明無(wú)線通信當(dāng)前的信道噪聲很大，或者M(jìn)FR4200的總線被干擾出現(xiàn)紊亂。0MAP5912將軟件復(fù)位MFR4200模塊，使得。MFR4200重新設(shè)囂總線，避免在低信噪比情況下多次重復(fù)發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)，縮短無(wú)效通信時(shí)間。

????? 由于OMAP5910具有C55系列DSP核，因此一些數(shù)字信號(hào)處理算法可以很容易地實(shí)現(xiàn)。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，可以進(jìn)行濾波以提高語(yǔ)音質(zhì)量；對(duì)于圖像信號(hào)，可以進(jìn)行圖像識(shí)別。在車載電子設(shè)備中，圖像識(shí)別可以檢測(cè)車前方的各種情況，以便進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)處理，使得系統(tǒng)更實(shí)用，應(yīng)用范圍更廣。

5 總結(jié)
????? 在基于OMAP5912和MFR4200的總線控制器連接設(shè)計(jì)中，使用OMAP5912的EMIFS接口連接總線控制器MFR4200，可實(shí)現(xiàn)FlexRay總線的數(shù)據(jù)收發(fā)。使用MFR4200模塊實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。由于采用具有DSP核的處理器，系統(tǒng)還可以方便地應(yīng)用各種數(shù)據(jù)信號(hào)處理算法，尤其適合車載電子設(shè)備的語(yǔ)音和圖像處理。