基于TJA1080 的FlexRay 節點驅動電路設計

廖自力，高 強，袁 東

(裝甲兵工程學院控制工程系，北京 100072)

隨著汽車電子技術的發展，汽車上的電子系統越來越多，汽車的自動化控制正在向著更加智能化的方向邁進。當然，汽車上的電子系統的增加無疑會增加車內的線路，增加了整車的控制難度，與此同時汽車的安全性、穩定性也就大大降低了。為了適應汽車電子技術的發展，傳統的CAN 總線已經不能滿足現代汽車對安全性、可靠性的需求，為此選擇用FlexRay 總線作為新一代車內控制總線［1，2］。

本研究主要介紹了以TMS320F28335 為主機控制器，MFR4310 為總線控制器，TJA1080 為總線驅動器設計FlexRay 總線節點，并對節點通信方式進行概述，著重講述了在FlexRay 節點驅動電路設計中的幾個重要問題。

1 FlexRay 總線特點

FlexRay 總線作為新一代汽車控制總線，不僅僅是因為它能適應現代汽車x-by-wire 操控方式，更重要的是具有其他總線所不具備的一些特點［1］。FlexRay 總線具有以下特點:

1)通信帶寬。FlexRay 協議中沒有限制帶寬的要求，單通道最高可達10 Mbps，雙通道冗余時可達20 Mbps。

2)靈活性。FlexRay 總線靈活性主要體現在拓撲結構多樣性上，支持總線型、星形、級聯星形及混合型等多種拓撲結構。同時觸發方式也支持事件觸發和時間觸發，靜態段采用基于時間觸發的總線訪問方式，動態段采用有限確定性的靈活時間觸發的總線訪問方式，本質上就是事件觸發方式。

3)可靠性。FlexRay 通信周期靜態段采用時間觸發方式;FlexRay 雙通道冗余傳輸; FlexRay 協議使用多項式CRC校驗的方式，而且具有多級別的容錯機制，確保數據傳輸的可靠性。

4)實時性。FlexRay 總線采用時分多路的數據傳輸方式，每個數據在每個通信周期中有固定位置，確保消息的實時性。

5)時鐘同步。通信周期是以時鐘為基本單元的，FlexRay 總線基于同步時基進行訪問，時基的精度比較高，該同步時基是通過協議自動建立的。

由以上特點可見FlexRay 總線無論在實時性和可靠性方面上都具有優越性，適合用于控制現代汽車復雜的各種電子系統。

2 FlexRay 總線節點設計

2.1 FlexRay 節點模塊化設計

FlexRay 總線節點作為整個網絡中的某個節點，主要任務是進行數據收發，與總線上其他節點進行通信。一個典型的FlexRay 節點必須具有一個主機處理器，可以是單片機或DSP，用來控制整個節點的通信時序，進行中斷、數據預處理;必須有一個通信控制器，主要是對于復雜的網絡結構，以FlexRay 協議為基礎，實現數據鏈路層和部分傳輸層的功能;必須有一個總線驅動器，總線驅動器屬于物理層，它直接連接FlexRay 網絡，整體作用相當于編譯碼器，通過編碼，將通信控制器的數據發到總線上，通過譯碼，將總線的數據傳到通信控制器上。主機處理器與通信控制器屬于控制模塊，也可以將其集成在一起。總線驅動器屬于驅動模塊。整個FlexRay 節點結構如圖1 所示。

圖1 FlexRay 節點結構

2.2 FlexRay 節點電路設計

確定FlexRay 節點的幾大模塊后針對每個模塊分別進行設計，最后連接在一起就完成了硬件電路設計。這里選擇TMS320F28335 作為主機處理器，MFR4310 作為通信控制器，TJA1080 作為總線驅動器［3，4］，電路連接圖如圖2 所示。

為實現節點通訊［5-8］，將DSP 的數據總線XD［15:0］與MFR4310 的數據接口D［15:0］連接，DSP 的地址總線XA［11:0］與MFR4310 的地址接口A［11:0］連接，為了匹配MFR4310，設計中只利用了DSP 的12 位地址尋址，與16 位讀寫數據。設置MFR4310 的BSEL0 與BSEL1 引腳為低電平，此時支持16 位數據的讀寫，可以在DSP 與MFR4310 間進行通訊。XZCS6n 為片選信號，XWE0n 與XRDn 分別為讀、寫信號。

圖2 FlexRay 節點電路

MFR4310 可以提供2 個獨立的通道，滿足FlexRay 總線的雙通道通信。將IF_SEL0 設置位高電平，IF_SEL1 設置為低電平，使其工作在AMI 模式下。此時數據交換受CE、WE、OE 的控制，WE 用來確定數據交換的方向，在讀操作時，OE使能AMI 的數據輸出到微控制器，使用CE 和A［11:0］來譯碼內部寄存器。因TJA1080 的TXEN 為高有效，故MFR4310的TXEN［1:2］為高電平。此時，TJA1080 就可以將MFR4310傳輸過來的信號轉換成模擬信號發送到總線上，反過來也可以將總線上的模擬信號傳輸到MFR4310。

3 驅動電路設計中的關鍵問題

FlexRay 節點通信過程中，信號頻率比較高，容易產生電磁干擾，不僅會使信號衰減，還會造成傳輸信號錯誤。因此，解決電磁兼容問題是FlexRay 節點設計過程中的重點。本研究為了保證傳輸信號的穩定，在驅動模塊主要從數字隔離、抑制共模信號、分離端接3 個方面來解決電磁兼容問題。

3.1 數字隔離器

ISO7220CD 數字隔離器功能結構如圖3 所示。

圖3 ISO7220CD 結構與功能框圖

ISO7220CD 是雙通道數字隔離器，輸入A 通道則輸出A通道，輸入B 通道則輸出B 通道，中間有一層材質為SiO2的高壓隔離層，該隔離層能阻斷輸入端的噪聲信號。當信號輸入時，隔離層相當于一個電容，可以對信號微分，使微分比較器接收到一個微分信號，然后重置觸發器，輸出信號。持續的脈沖信號通過隔離層來確定輸出信號的電平，當2 個脈沖時間間隔超過4μs 時，則認為輸入端沒有加電，輸出端保持邏輯高電平。

TJA1080 收發器是FlexRay 節點驅動模塊的主要部件，無論是接收信號，還是發送信號TJA1080 都需要將信號傳輸到MFR4310。TJA1080 收發器采集總線上的信號不一定非常穩定，如果直接傳輸到MFR4310 上可能出現未知錯誤。考慮到TJA1080 收發器接收到的信號通過譯碼已經變成“0”或“1”的數字信號，在實際設計過程中，可以在TJA1080 和MFR4310 之間添加數字隔離器，本研究中采用ISO7220CD數字隔離器，電路連接如圖4 所示。

圖4 ISO7220CD 數字隔離器電路連接

由圖4 電路連接圖可見，添加ISO7220CD 并沒有改變電路信號通道，主要利用了ISO7220CD 隔離層的阻斷電流的作用，阻斷了總線上的噪聲信號與毛刺脈沖，提高了信號的準確性與系統的抗干擾能力。

3.2 共模扼流圈

FlexRay 總線即一個發送到一個接收或者一個發送到多個接收的一種差分電壓連接方式，這是FlexRay 總線的電氣物理層定義的。FlexRay 總線有2 條電纜，分別表示為BP 和BM，線上電壓表示為uBP 和uBM，總線上的差分電壓為:uBUS=uBP-uBM。既然FlexRay 信號本質是差分信號，則總線上的共模信號就是干擾信號，那么為了增強差分信號，最大程度削減共模信號就選擇了共模扼流圈。共模扼流圈結構示意圖如圖5 所示。

圖5 共模扼流圈

共模扼流圈的2 個線圈都纏繞在同一個鐵心上，匝數相同，纏繞方向相反，這樣，當差模電流經過共模電感時，電流在電感線圈中產生相反的磁場進而相互抵消;當共模電流經過共模電感時就會在線圈中產生同向磁場增大線圈的感抗，使線圈對于共模信號表現為高阻狀態，起到阻礙共模信號的作用。實際上相當于一個雙向濾波器，一方面消除總線上傳輸過來的共模電磁干擾，一方面是控制自身電路不向外輻射電磁波，避免影響其他的電子設備。本設計中添加一個共模扼流圈，主要為了慮除總線上的共模信號，還可以減少內部電路對外界的電磁輻射，增強電路的EMC 性能。當然可以采取多級共模扼流圈，更大程度地抑制共模信號，但設計繁瑣，需占據一定空間，本次設計中只添加一個共模扼流圈，電路連接圖如圖6 所示。

圖6 共模扼流圈電路

3.3 分離端接

與低頻的電流信號不同，FlexRay 信號屬于高頻信號，在連接電纜時也要考慮電磁干擾問題。電纜末端其實可以不用端接任何器件，直接就可以進行通訊，如圖7 所示。

圖7 電纜末端無端接

這種方式雖然結構簡單，但是EMC 性能太差，所以，不能滿足高頻通信中對信號準確性的要求。

為了減弱外界噪聲、干擾信號對系統的影響，可以考慮在末端BP 與BM 間端接一個電阻，一方面減小從總線端看進去的輸入阻抗，另一方面過濾一些噪聲信號，如圖8 所示。

圖8 電纜末端接電阻

考慮到FlexRay 信號是差模信號，所以在末端可以采取某種方式，配合共模扼流圈的作用，進一步抑制共模信號，起到增強差模傳輸信號的作用，為此可以采取分離端接的方式，如圖9 所示。

圖9 電纜末端分離端接

圖9中R1與R2為2 個匹配電阻，電容C1為共模信號提供通路，將共模信號接地。在設計過程中，R1與R2的阻值應該盡可能一致，這樣產生的電磁干擾越小，所以這兩個電阻要選取精度比較高的電阻。電容主要是將共模信號接地的作用，電容值為4 700 pF。差模信號經過R1與R2電阻后將被抵消，共模信號則會通過電容C1傳到地，這樣就提高了信號的準確性以及系統的EMC 性能，分離端接的電路圖如圖10 所示。

圖10 分離端接電路圖

4 結束語

本研究根據汽車總線通信系統的需要，以TMS320F28335、MFR4310、TJA1080 芯片建立了FlexRay 節點，分析了該節點的通信原理。重點論述了在FlexRay 節點設計過程中，從提高總線可靠性的角度入手，在FlexRay 節點的驅動電路使用數字隔離器、共模扼流圈、分離端接3 種方法提高節點的EMC 性能。

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