汽車電子控制系統(tǒng)單元架構(gòu)的實現(xiàn)路徑

葛源慧

(煙臺汽車工程職業(yè)學院 車輛應用工程系， 煙臺 261500)

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，汽車電控單元(ECU)不斷完善，在多子系統(tǒng)間需共享傳輸大容量數(shù)據(jù)信息，需確保過程的實時性和可靠性，傳統(tǒng)的汽車總線難以滿足汽車高速傳輸?shù)囊螅瑐鹘y(tǒng)的汽車機械系統(tǒng)將逐漸轉(zhuǎn)變成電氣系統(tǒng)，通過高速容錯通信總線連接高性能CPU，使汽車可靠性和安全性得以有效提高，這給汽車電控單元和通信網(wǎng)絡帶來挑戰(zhàn)，F(xiàn)lexRay總線協(xié)議具備容錯率高、傳輸延遲小、通信速度高等優(yōu)勢，因此研究其在電子控制系統(tǒng)單元中的應用具有較高的使用價值[1]。

1 系統(tǒng)單元總體框架

本文所設計的汽車電子控制系統(tǒng)單元的FlexRay通信模塊電路主要由TJA108ATS/2總線驅(qū)動器(NXP公司推出，主要由總線驅(qū)動和總線監(jiān)視模塊構(gòu)成)和 MC9S12XF512芯片(飛思卡爾公司推出，主要由獨立總線控制器、FlexRay通信控制器和總線收發(fā)器，S12內(nèi)核和構(gòu)成)組成，具備外圍擴展能力強、抗干擾能力強的優(yōu)勢，該芯片內(nèi)嵌有FlexRay總線控制器接口，作為獨立總線FlexRay通信板，MC9S12XF512單片機具有體積小、速率和穩(wěn)定性高、功耗和成本低的優(yōu)勢；TJA1080ATS/2能在協(xié)議控制器和物理總線間提供先進的接口，電子控制系統(tǒng)單元的EMC性能可通過其外圍的電阻和電容進行改善，具有良好的ESD保護功能、支持60 ns最小位時間，以及改進的上電復位和總線錯誤監(jiān)視等功能，使該芯片可勝任任何一種FlexRay節(jié)點。整體框架圖如圖1所示[2]。

圖1 整體框架圖

2 系統(tǒng)單元設計

依據(jù)車身的布局狀態(tài)和控制需求，本文的車身網(wǎng)絡系統(tǒng)以FlexRay總線為依據(jù)，該系統(tǒng)主要由發(fā)動機電控盒、傳動電控盒、采集驅(qū)動單元、駕駛員操作終端等構(gòu)成，本文設計的系統(tǒng)單元控制模塊屬于獨立總線FlexRay通信控制單元，具有FlexRay總線節(jié)點的通信功能，同時可對節(jié)點下的各功能模塊通過獨立總線通信的使用實現(xiàn)信息采集和控制管理，將本節(jié)點的數(shù)據(jù)信息通過FlexRay總線上傳至信息處理單元做進一步處理和共享，其整體功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[3]。

圖2 整體功能結(jié)構(gòu)

其中的電子控制系統(tǒng)單元主要由雙路總線收發(fā)器、復位和BDM調(diào)試接口、時鐘電路模塊等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)單元硬件結(jié)構(gòu)圖

該模塊主要由濾波的電容電阻、單片機的 FlexRay總線接口(MC9S12XF512)和雙路收發(fā)器TJA108ATS/2組成，設計總線通信模塊時，通過微控制器上的引腳(PH0-2，PJ5，PH3，PJ3)連接FlexRay總線收發(fā)器的引腳，一路則是通過PH4，PH5，PH6，PH7，PJ4，PJ6引腳連接另一個收發(fā)器的引腳，再通過濾波電路輸出分別同F(xiàn)lexRay總線A和B節(jié)點的連接，從而實現(xiàn)總線的兩路節(jié)點數(shù)據(jù)通信，如上文圖1所示。FlexRay總線通信模塊性能(主要指抗電磁干擾能力)的提高則通過設計的濾波電路實現(xiàn)，微控制器單片機對FlexRay總線通信模塊的控制功能可通過指令直接實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送則在FlexRay總線節(jié)點完成[4]。

3 系統(tǒng)單元的實現(xiàn)

需對總線通信進行開發(fā)編程，具體的開發(fā)編程層次結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 開發(fā)編程結(jié)構(gòu)圖

微控制器對FlexRay控制器發(fā)出的指令進行數(shù)據(jù)處理時可使用輪詢驅(qū)動或中斷驅(qū)動的方式。

各電子控制系統(tǒng)單元需遵從時隙規(guī)則周期性的將數(shù)據(jù)發(fā)送到FlexRay總線節(jié)點上，并從FlexRay總線節(jié)點上獲取所需的對應時隙的數(shù)據(jù)。本文電子控制系統(tǒng)單元采用中斷驅(qū)動方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，F(xiàn)lexRay通信控制器接收的ID時隙信號將執(zhí)行對應的ID時隙數(shù)據(jù)，并將其存儲到消息緩存中和映射中[5]。

系統(tǒng)模塊初始化流程如圖5所示。

圖5 初始化流程圖

進入到節(jié)點配置狀態(tài)后，對消息緩沖區(qū)進及協(xié)議配置參數(shù)行初始化，結(jié)束節(jié)點配置狀態(tài)后初始化啟動FlexRay模塊，然后初始化消息緩沖區(qū)，完成相應中斷、定時器 T1、T2的啟動，直至進入工作狀態(tài)。

單片機成功完成初始化后，對應FlexRay節(jié)點上的時隙數(shù)據(jù)信息即可通過其完成發(fā)送或接收，微控制器將時隙信息發(fā)送至FlexRay節(jié)點上(通過FlexRay總線收發(fā)器)的具體流程為：通過單片機微控制器，待發(fā)送數(shù)據(jù)被組成時隙數(shù)據(jù)信息后寫入發(fā)送緩存區(qū)，并在發(fā)送函數(shù)命令啟動后會被發(fā)送到總線節(jié)點上，數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。對于FlexRay節(jié)點時隙數(shù)據(jù)的接收，本文設置為在中斷驅(qū)動模式下完成數(shù)據(jù)的接收，接收數(shù)據(jù)流程如圖7所示[6]。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖7 接收數(shù)據(jù)流程圖

4 系統(tǒng)測試

為檢測本文電子控制系統(tǒng)單元的穩(wěn)定性和實用性，對FlexRay總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收情況進行測試，通過對汽車電子控制系統(tǒng)單元進行實際的設計制作，再通過FlexRay通信模塊實現(xiàn)兩個系統(tǒng)單元同F(xiàn)lexRay節(jié)點的連接。分別設置通信為輪詢和中斷兩種驅(qū)動模式，設置兩者FlexRay時鐘頻率皆為2 M，且都設置冷啟動節(jié)點。作為收發(fā)端，對時隙4和時隙5進行設置，在輪驅(qū)動模式下分別發(fā)送單通道和雙通道測試數(shù)據(jù)，在中斷驅(qū)動模式下分別接收單通道和雙通道測試數(shù)據(jù)。提供電壓(+12 V)使兩個電子控制系統(tǒng)單元工作，根據(jù)所設置的ID和CRC分別在FlexRay總線節(jié)點上完成相應測試數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，用示波器測得在進行FlexRay通信時節(jié)點總線的波形，BM和BP連接的FlexRay總線(是雙絞線)為差分信號，在對其兩點進行測試對比時采用了雙蹤示波器，得到的波形圖如圖8所示。

檢測結(jié)果表明最小的發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隙在0. 5 us左右，換算為FlexRay通信的最小傳輸速率約為2 M，說明其可滿足數(shù)據(jù)高速通信的需求，具有較高的穩(wěn)定性和實用性，實際應用價值較高[7]。

圖8 FlexRay通信節(jié)點波形圖

5 總結(jié)

為滿足汽車對控制系統(tǒng)單元的高性能需求，本文主要對汽車電子控制系統(tǒng)單元的實現(xiàn)路徑進行研究，以FlexRay總線技術(shù)為基礎進行設計，使電子控制系統(tǒng)單元具備穩(wěn)定性高、體積小、低能耗及成本的優(yōu)勢，為降低CPU工作負擔，汽車電子控制系統(tǒng)單元的主芯片采用了飛思卡爾單片機，微控制器采用協(xié)處理器，對電子控制系統(tǒng)單元整體構(gòu)造進行了設計，介紹了控制模塊、總線通信模塊的硬件和軟件的設計流程，通過檢測節(jié)點數(shù)據(jù)信息及分析傳輸波形，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)單元具備可行性和實用性，傳輸速度較高，能有效滿足高穩(wěn)定性和安全性的需求。