基于TJA1080 的FlexRay 节点驱动电路设计

廖自力，高 强，袁 东

(装甲兵工程学院控制工程系，北京 100072)

随着汽车电子技术的发展，汽车上的电子系统越来越多，汽车的自动化控制正在向着更加智能化的方向迈进。当然，汽车上的电子系统的增加无疑会增加车内的线路，增加了整车的控制难度，与此同时汽车的安全性、稳定性也就大大降低了。为了适应汽车电子技术的发展，传统的CAN 总线已经不能满足现代汽车对安全性、可靠性的需求，为此选择用FlexRay 总线作为新一代车内控制总线［1，2］。

本研究主要介绍了以TMS320F28335 为主机控制器，MFR4310 为总线控制器，TJA1080 为总线驱动器设计FlexRay 总线节点，并对节点通信方式进行概述，着重讲述了在FlexRay 节点驱动电路设计中的几个重要问题。

1 FlexRay 总线特点

FlexRay 总线作为新一代汽车控制总线，不仅仅是因为它能适应现代汽车x-by-wire 操控方式，更重要的是具有其他总线所不具备的一些特点［1］。FlexRay 总线具有以下特点:

1)通信带宽。FlexRay 协议中没有限制带宽的要求，单通道最高可达10 Mbps，双通道冗余时可达20 Mbps。

2)灵活性。FlexRay 总线灵活性主要体现在拓扑结构多样性上，支持总线型、星形、级联星形及混合型等多种拓扑结构。同时触发方式也支持事件触发和时间触发，静态段采用基于时间触发的总线访问方式，动态段采用有限确定性的灵活时间触发的总线访问方式，本质上就是事件触发方式。

3)可靠性。FlexRay 通信周期静态段采用时间触发方式;FlexRay 双通道冗余传输; FlexRay 协议使用多项式CRC校验的方式，而且具有多级别的容错机制，确保数据传输的可靠性。

4)实时性。FlexRay 总线采用时分多路的数据传输方式，每个数据在每个通信周期中有固定位置，确保消息的实时性。

5)时钟同步。通信周期是以时钟为基本单元的，FlexRay 总线基于同步时基进行访问，时基的精度比较高，该同步时基是通过协议自动建立的。

由以上特点可见FlexRay 总线无论在实时性和可靠性方面上都具有优越性，适合用于控制现代汽车复杂的各种电子系统。

2 FlexRay 总线节点设计

2.1 FlexRay 节点模块化设计

FlexRay 总线节点作为整个网络中的某个节点，主要任务是进行数据收发，与总线上其他节点进行通信。一个典型的FlexRay 节点必须具有一个主机处理器，可以是单片机或DSP，用来控制整个节点的通信时序，进行中断、数据预处理;必须有一个通信控制器，主要是对于复杂的网络结构，以FlexRay 协议为基础，实现数据链路层和部分传输层的功能;必须有一个总线驱动器，总线驱动器属于物理层，它直接连接FlexRay 网络，整体作用相当于编译码器，通过编码，将通信控制器的数据发到总线上，通过译码，将总线的数据传到通信控制器上。主机处理器与通信控制器属于控制模块，也可以将其集成在一起。总线驱动器属于驱动模块。整个FlexRay 节点结构如图1 所示。

图1 FlexRay 节点结构

2.2 FlexRay 节点电路设计

确定FlexRay 节点的几大模块后针对每个模块分别进行设计，最后连接在一起就完成了硬件电路设计。这里选择TMS320F28335 作为主机处理器，MFR4310 作为通信控制器，TJA1080 作为总线驱动器［3，4］，电路连接图如图2 所示。

为实现节点通讯［5-8］，将DSP 的数据总线XD［15:0］与MFR4310 的数据接口D［15:0］连接，DSP 的地址总线XA［11:0］与MFR4310 的地址接口A［11:0］连接，为了匹配MFR4310，设计中只利用了DSP 的12 位地址寻址，与16 位读写数据。设置MFR4310 的BSEL0 与BSEL1 引脚为低电平，此时支持16 位数据的读写，可以在DSP 与MFR4310 间进行通讯。XZCS6n 为片选信号，XWE0n 与XRDn 分别为读、写信号。

图2 FlexRay 节点电路

MFR4310 可以提供2 个独立的通道，满足FlexRay 总线的双通道通信。将IF_SEL0 设置位高电平，IF_SEL1 设置为低电平，使其工作在AMI 模式下。此时数据交换受CE、WE、OE 的控制，WE 用来确定数据交换的方向，在读操作时，OE使能AMI 的数据输出到微控制器，使用CE 和A［11:0］来译码内部寄存器。因TJA1080 的TXEN 为高有效，故MFR4310的TXEN［1:2］为高电平。此时，TJA1080 就可以将MFR4310传输过来的信号转换成模拟信号发送到总线上，反过来也可以将总线上的模拟信号传输到MFR4310。

3 驱动电路设计中的关键问题

FlexRay 节点通信过程中，信号频率比较高，容易产生电磁干扰，不仅会使信号衰减，还会造成传输信号错误。因此，解决电磁兼容问题是FlexRay 节点设计过程中的重点。本研究为了保证传输信号的稳定，在驱动模块主要从数字隔离、抑制共模信号、分离端接3 个方面来解决电磁兼容问题。

3.1 数字隔离器

ISO7220CD 数字隔离器功能结构如图3 所示。

图3 ISO7220CD 结构与功能框图

ISO7220CD 是双通道数字隔离器，输入A 通道则输出A通道，输入B 通道则输出B 通道，中间有一层材质为SiO2的高压隔离层，该隔离层能阻断输入端的噪声信号。当信号输入时，隔离层相当于一个电容，可以对信号微分，使微分比较器接收到一个微分信号，然后重置触发器，输出信号。持续的脉冲信号通过隔离层来确定输出信号的电平，当2 个脉冲时间间隔超过4μs 时，则认为输入端没有加电，输出端保持逻辑高电平。

TJA1080 收发器是FlexRay 节点驱动模块的主要部件，无论是接收信号，还是发送信号TJA1080 都需要将信号传输到MFR4310。TJA1080 收发器采集总线上的信号不一定非常稳定，如果直接传输到MFR4310 上可能出现未知错误。考虑到TJA1080 收发器接收到的信号通过译码已经变成“0”或“1”的数字信号，在实际设计过程中，可以在TJA1080 和MFR4310 之间添加数字隔离器，本研究中采用ISO7220CD数字隔离器，电路连接如图4 所示。

图4 ISO7220CD 数字隔离器电路连接

由图4 电路连接图可见，添加ISO7220CD 并没有改变电路信号通道，主要利用了ISO7220CD 隔离层的阻断电流的作用，阻断了总线上的噪声信号与毛刺脉冲，提高了信号的准确性与系统的抗干扰能力。

3.2 共模扼流圈

FlexRay 总线即一个发送到一个接收或者一个发送到多个接收的一种差分电压连接方式，这是FlexRay 总线的电气物理层定义的。FlexRay 总线有2 条电缆，分别表示为BP 和BM，线上电压表示为uBP 和uBM，总线上的差分电压为:uBUS=uBP-uBM。既然FlexRay 信号本质是差分信号，则总线上的共模信号就是干扰信号，那么为了增强差分信号，最大程度削减共模信号就选择了共模扼流圈。共模扼流圈结构示意图如图5 所示。

图5 共模扼流圈

共模扼流圈的2 个线圈都缠绕在同一个铁心上，匝数相同，缠绕方向相反，这样，当差模电流经过共模电感时，电流在电感线圈中产生相反的磁场进而相互抵消;当共模电流经过共模电感时就会在线圈中产生同向磁场增大线圈的感抗，使线圈对于共模信号表现为高阻状态，起到阻碍共模信号的作用。实际上相当于一个双向滤波器，一方面消除总线上传输过来的共模电磁干扰，一方面是控制自身电路不向外辐射电磁波，避免影响其他的电子设备。本设计中添加一个共模扼流圈，主要为了虑除总线上的共模信号，还可以减少内部电路对外界的电磁辐射，增强电路的EMC 性能。当然可以采取多级共模扼流圈，更大程度地抑制共模信号，但设计繁琐，需占据一定空间，本次设计中只添加一个共模扼流圈，电路连接图如图6 所示。

图6 共模扼流圈电路

3.3 分离端接

与低频的电流信号不同，FlexRay 信号属于高频信号，在连接电缆时也要考虑电磁干扰问题。电缆末端其实可以不用端接任何器件，直接就可以进行通讯，如图7 所示。

图7 电缆末端无端接

这种方式虽然结构简单，但是EMC 性能太差，所以，不能满足高频通信中对信号准确性的要求。

为了减弱外界噪声、干扰信号对系统的影响，可以考虑在末端BP 与BM 间端接一个电阻，一方面减小从总线端看进去的输入阻抗，另一方面过滤一些噪声信号，如图8 所示。

图8 电缆末端接电阻

考虑到FlexRay 信号是差模信号，所以在末端可以采取某种方式，配合共模扼流圈的作用，进一步抑制共模信号，起到增强差模传输信号的作用，为此可以采取分离端接的方式，如图9 所示。

图9 电缆末端分离端接

图9中R1与R2为2 个匹配电阻，电容C1为共模信号提供通路，将共模信号接地。在设计过程中，R1与R2的阻值应该尽可能一致，这样产生的电磁干扰越小，所以这两个电阻要选取精度比较高的电阻。电容主要是将共模信号接地的作用，电容值为4 700 pF。差模信号经过R1与R2电阻后将被抵消，共模信号则会通过电容C1传到地，这样就提高了信号的准确性以及系统的EMC 性能，分离端接的电路图如图10 所示。

图10 分离端接电路图

4 结束语

本研究根据汽车总线通信系统的需要，以TMS320F28335、MFR4310、TJA1080 芯片建立了FlexRay 节点，分析了该节点的通信原理。重点论述了在FlexRay 节点设计过程中，从提高总线可靠性的角度入手，在FlexRay 节点的驱动电路使用数字隔离器、共模扼流圈、分离端接3 种方法提高节点的EMC 性能。

［1］吴宝新，郭永红.汽车FlexRay 总线系统开发实践［M］.北京:电子工业出版社，2012.

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［3］刘陵顺，高艳丽. TMS320F28335 DSP 原理及开发编程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［4］Freescale semiconductor.MFR4310 Reference Manual［Z］.Freescale semiconductor，2008.

［5］谢轶群，李仁发，王蓉，等.基于车用FlexRay 网络的应用原型系统［J］.计算机工程，2011，37(23):229-231.

［6］万芩，孔峰.基于DSP FlexRay 节点的应用研究［J］.广西工学院学报，2010，21(2):32-35.

［7］FlexRay Consortium.FlexRay Communications System Protocol Specification，Version 2.1 Rev A［EB/OL］.［2005 -12-22］.http: //wenku.baidu.com/link? url=rHnsMru2 J4IXSkguiL1_Qc8laPKcemZimeLMHZB8N6XYlYceu3QFLx X8OvJ8zfP7H4ThziPxynEvF1LAzPVpUrbxhyqEoEd4sSVg1 HOxj6m.

［8］李菲，郭爱华，宋德星.基于FlexRay 总线的通讯单元设计［J］.电子技术，2012(11):79-81.