汽車電子控制系統單元架構的實現路徑

葛源慧

(煙臺汽車工程職業學院 車輛應用工程系， 煙臺 261500)

0 引言

隨著汽車電子技術的快速發展，汽車電控單元(ECU)不斷完善，在多子系統間需共享傳輸大容量數據信息，需確保過程的實時性和可靠性，傳統的汽車總線難以滿足汽車高速傳輸的要求，傳統的汽車機械系統將逐漸轉變成電氣系統，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絡帶來挑戰，FlexRay總線協議具備容錯率高、傳輸延遲小、通信速度高等優勢，因此研究其在電子控制系統單元中的應用具有較高的使用價值[1]。

1 系統單元總體框架

本文所設計的汽車電子控制系統單元的FlexRay通信模塊電路主要由TJA108ATS/2總線驅動器(NXP公司推出，主要由總線驅動和總線監視模塊構成)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器，S12內核和構成)組成，具備外圍擴展能力強、抗干擾能力強的優勢，該芯片內嵌有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、速率和穩定性高、功耗和成本低的優勢；TJA1080ATS/2能在協議控制器和物理總線間提供先進的接口，電子控制系統單元的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視等功能，使該芯片可勝任任何一種FlexRay節點。整體框架圖如圖1所示[2]。

圖1 整體框架圖

2 系統單元設計

依據車身的布局狀態和控制需求，本文的車身網絡系統以FlexRay總線為依據，該系統主要由發動機電控盒、傳動電控盒、采集驅動單元、駕駛員操作終端等構成，本文設計的系統單元控制模塊屬于獨立總線FlexRay通信控制單元，具有FlexRay總線節點的通信功能，同時可對節點下的各功能模塊通過獨立總線通信的使用實現信息采集和控制管理，將本節點的數據信息通過FlexRay總線上傳至信息處理單元做進一步處理和共享，其整體功能結構示意圖如圖2所示[3]。

圖2 整體功能結構

其中的電子控制系統單元主要由雙路總線收發器、復位和BDM調試接口、時鐘電路模塊等組成，總體結構如圖3所示。

圖3 系統單元硬件結構圖

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器的引腳，再通過濾波電路輸出分別同FlexRay總線A和B節點的連接，從而實現總線的兩路節點數據通信，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，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，數據的接收和發送則在FlexRay總線節點完成[4]。

3 系統單元的實現

需對總線通信進行開發編程，具體的開發編程層次結構圖如圖4所示。

圖4 開發編程結構圖

微控制器對FlexRay控制器發出的指令進行數據處理時可使用輪詢驅動或中斷驅動的方式。

各電子控制系統單元需遵從時隙規則周期性的將數據發送到FlexRay總線節點上，并從FlexRay總線節點上獲取所需的對應時隙的數據。本文電子控制系統單元采用中斷驅動方式實現數據的接收，FlexRay通信控制器接收的ID時隙信號將執行對應的ID時隙數據，并將其存儲到消息緩存中和映射中[5]。

系統模塊初始化流程如圖5所示。

圖5 初始化流程圖

進入到節點配置狀態后，對消息緩沖區進及協議配置參數行初始化，結束節點配置狀態后初始化啟動FlexRay模塊，然后初始化消息緩沖區，完成相應中斷、定時器 T1、T2的啟動，直至進入工作狀態。

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

圖6 數據發送流程圖

圖7 接收數據流程圖

4 系統測試

為檢測本文電子控制系統單元的穩定性和實用性，對FlexRay總線數據的發送和接收情況進行測試，通過對汽車電子控制系統單元進行實際的設計制作，再通過FlexRay通信模塊實現兩個系統單元同FlexRay節點的連接。分別設置通信為輪詢和中斷兩種驅動模式，設置兩者FlexRay時鐘頻率皆為2 M，且都設置冷啟動節點。作為收發端，對時隙4和時隙5進行設置，在輪驅動模式下分別發送單通道和雙通道測試數據，在中斷驅動模式下分別接收單通道和雙通道測試數據。提供電壓(+12 V)使兩個電子控制系統單元工作，根據所設置的ID和CRC分別在FlexRay總線節點上完成相應測試數據的接收和發送，用示波器測得在進行FlexRay通信時節點總線的波形，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。

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

圖8 FlexRay通信節點波形圖

5 總結

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