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基于FPGA的车电总线通信设计方案

2019年06月11日 15:25 次阅读

为提高集成架构中车电总线通信速率,结合综合化处理系统项目要求,采用双总线结合的方式,利用CAN总线和FlexRay总线实现功能及搭配上的互补,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的总线接口单元设计方案。通过FPGA完成CAN总线控制器、FlexRay总线控制器、RapidIO总线接口等模块功能,实现高速接口的控制和扩展,并使模块接口具备可配置能力。测试结果表明,CAN接口及FlexRay接口在指定的波特率下均工作正常,满足项目要求的各项性能指标。

1 概述

CAN总线是一种有效地支持分布式控制或者实时控制的串行通信网络,具有多主机、高性能以及高可靠性。然而随着汽车电子技术的发展,早期的CAN总线已经不能很好地解决众多电子设备之间的实时通信问题。由FlexRay联盟制定的FlexRay协议标准成为一种理想的解决方案。FlexRay通讯协议运用于可靠的车内网络中,是一种具备故障容错的高速汽车总线系统。作为一种灵活的车载网络系统,FlexRay具有高速、可靠及安全的特点,它不仅能简化车载通信系统的架构,而且有助于汽车电子单元获得更高的稳定性和可靠性。FlexRay在物理上通过2条分开的总线进行通信,每一条的数据速率是10 Mb/s。CAN网络最高性能极限为1Mb/s,而FlexRay总数据速率可达20Mb/s。FlexRay还能够提供很多网络所不具有的可靠性特点,尤其是FlexRay具备的冗余通信能力,通过硬件可实现完全复制网络配置,并进行进度监测。CAN总线和FlexRay总线两者在功能及搭配上可实现互补。FPGA在数字电路设计上非常灵活且性能强大,在不改变外围电路的情况下,可以编写不同的片内电路逻辑,以实现不同功能或进行功能扩展。

本文提出的车电总线接口单元综合考虑用户的具体需求,保留CAN总线作为卫星导航设备接口总线,其余接口总线采用高速的FlexRay总线,既兼容较低速接口的通信速率要求,又满足高速总线接口的需要,将CAN和FlexRay总线结合在一起,基于FPGA,使成本与效益最大化。

2 车电总线架构

本文综合化处理系统项目中处理系统采用多处理器结构,板间通信数据量较大。若采用PCI总线进行信号传输则由于PCI总线带宽有限,当数据量较大时容易形成通信瓶颈,且PCI总线不支持点对点传输。若选用以太网,则传输速率较低,软件开销较大,且高带宽带来的高成本使它在系统内互连时缺乏吸引力。结合项目采用高速实时总线的具体要求,最终选择基于VPX架构的RapidIO总线进行通信传输。VPX总线采用高速串行总线技术替代VME总线的并行总线技术,支持更高的背板带宽。其交换式结构使得系统整体性能不再受主控板的控制,提高了系统的整体性能。通过串行RapidIO(SRIO)转换,完成了RapidIO-CAN、RapidIO-FlexRay协议转换功能,实现了车电总线与任务总线(RapidIO)的无缝连接,进而满足了处理系统项目高速、多处理器、实时的通信传输要求。

2.1 CAN技术

控制器局部网(ControllerAreaNetwork,CAN)属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。

(1) CAN的分层结构

CAN遵从OSI模型,按照OSI基准模型,CAN结构划分为2层:数据链路层和物理层,如图1所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图1 CAN分层结构

按照IEEE802.2和802.3标准,数据链路层又划分为逻辑链路控制和媒体访问控制;物理层又划分为物理信令、物理媒体附属装置和媒体相关接口。其中,逻辑链路控制子层为数据传递和远程数据请求提供服务;访问媒体控制子层的功能主要是传送规则,即控制帧结构、执行仲裁、错误检验、出错标定和故障界定。

(2) CAN总线的主要特点

CAN为多主工作方式,网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他节点发送信息,不分主从,方式灵活。其采用非破坏性的总线仲裁技术,可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息,多点同时发送信息时,按优先级顺序通信,节省总线冲突仲裁时间,避免网络瘫痪。报文传送采用短帧数据结构,传输时间短,抗干扰能力强,检错效果好。网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能,脱离网络,实现了标准化、规范化。

2.2 FlexRay技术

(1) FlexRay分层结构

FlexRay的分层结构由物理层、传输层、表示层及应用层组成。物理层定义了信号的实际传输方式,包括在时域上检测通信控制器故障的功能;传输层是FlexRay协议的核心,它的功能是从表示层获得节点要发送的信息和把网络上接收的信息传送给表示层;表示层完成信息过滤、信息状态处理以及通道控制器与主机的接口;应用层由应用系统定义。

(2) FlexRay节点结构

FlexRay节点的核心是ECU(Electronic Control Unit),是接入车载网络中的独立完成相应功能的控制单元。主要由电源供给系统、主处理器、固化FlexRay通信控制器、可选的总线监控器和总线驱动器组成。主处理器提供和产生数据,并通过FlexRay通信控制器传送出去。其中驱动器和监控器的个数对应于通道数,与通信控制器和微处理器相连。总线驱动器连接着通信控制器和总线,或是连接总线监控器和总线。主处理器把FlexRay控制器分配的时间槽通知给总线监视器,然后总线监视器就允许FlexRay控制器在这些时间槽中传输数据。数据可以随时被接收。结构图如图2所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图2 FlexRay节点结构

(3) FlexRay网络拓扑结构

FlexRay的网络拓扑结构主要分为3种:总线式,星型,总线星型混合型。在星型结构中还存在级联方式。通常,FlexRay节点可以支持2个信道,在双信道系统中,不是所有节点都必须与2个信道连接。与总线结构相比,星状结构的优势在于:它在接收器和发送器之间提供点到点连接。该优势在高传输速率和长传输线路中尤为明显。另一个重要优势是错误分离功能。双通道备用星型结构如图3所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图3 FlexRay网络拓扑结构

(4) FlexRay状态

FlexRay的节点有6个基本的运行状态:

1)配置状态(默认配置/配置):用于各种初始化设置,包括通信周期和数据速率。

2)就绪状态:用于进行内部的通信设置。

3)唤醒状态:用于唤醒没有在通信的节点。当节点的收发器接受到唤醒特征符后,对主机处理器和通信控制器进行上电,唤醒并激活通信控制器、总线驱动器和总线监控器。

4)启动状态:用于启动时钟同步,并为通信做准备。只有将节点唤醒后,才能启动节点工作。系统的启动由2个逻辑步骤组成,冷启动节点启动和其他非冷启动节点通过接受启动帧与冷启动节点整合到一起。

5)正常状态(主动/被动):可以进行通信的状态。

6)中断状态:表明通信中断。

FlexRay状态图如图4所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图4 FlexRay状态

3 车电总线接口单元设计

3.1 总线接口单元组成

在综合化处理系统架构中,车电总线访问可简化为下列部分:主控单元,RapidIO交换单元,总线接口单元和车电总线。主控单元包含处理器和PCIe-SRIO转接桥。处理器将信号发送至PCIe-SRIO转接桥,数据通过SRIO交换,传输至总线接口单元,最终实现处理器对车电总线上各传感器的访问与控制。车电总线访问的整体架构如图5所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图5 系统总体架构

总线接口单元采用3U、VPX结构,板卡主要由XILINX的Virtex6系列FPGA XC6VLX75T完成CAN总线控制器、FlexRay总线控制器、RapidIO总线接口等模块功能,辅之以CAN和FlexRay总线接口PHY、晶振、电压转换器等芯片完成总线接口单元设计。总线接口单元主要完成RapidIO-FlexRay、RapidIO-CAN协议转换功能,实现了车电总线与任务总线(RapidIO)的无缝连接。由于该总线接口模块不含FlexRay总线监控功能,若要实现对总线的监控,需在节点上外接监控设备。总线接口单元功能组成框图如图6所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图6 总线接口单元功能组成框图

3.2 车电总线接口设计

3.2.1 CAN总线接口设计

单元模块通过FPGA输出四路GPIO信号,GPIO连接电压转换芯片以完成电平转换,CAN总线信号完成电平转换后连接CAN芯片,从而输出CAN总线信号与总线接口单元VPX接插件相连,如图7所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图7 CAN总线接口硬件组成原理

CAN帧时,处理器驱动在内存定义并组织一个下图结构体,使用RapidIO中NWRITE-R事务,写入FPGA控制器CAN发送缓冲区地址,即刻完成发送;当CAN控制器完成发送后,将对该处理器产生中断,告知发送结果。

当接收CAN帧时,处理器驱动在内存定义一个上图结构体,并将内存地址使用Rapid IO中NWRITE-R事务,写入FPGA控制器CAN接收缓冲区地址;当CAN控制器接收完一帧后,通过NWRITE-R事务写入对该处理器地址空间中并产生中断,告知发送结果。图8是内存数据结构。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图8 CAN内存数据结构

3.2.2 FlexRay总线接口设计

单元模块通过FPGA输出两路GPIO信号,GPIO连接电压转换芯片以完成电平转换,FlexRay总线信号完成电平转换后各输出两路连接FlexRay收发器。由于该XILINX核中只支持FlexRay单信道,因此选择两路FlexRay信道形成冗余设计,2组信道都分为A、B2个通道,满足FlexRay双信道的要求。收发器选用TJA1080,TJA1080收发器是恩智浦公司出品的一款针对FlexRay的具有高速时间触发通讯系统的收发芯片,也是全球第一款符合FlexRay协议2.1规定的FlexRay收发器,具有高达10Mb/s的数据传输速度。每路信号分别通过JTA1080后,最终输出四路FlexRay信号,并与总线接口单元VPX接插件相连。详细结构如图9所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图9 FlexRay总线接口硬件组成原理

FlexRay每个数据的数据帧由帧头、有效数据段、帧尾3个部分组成。若为发送,当时间片快到时,链表控制器通过RioMaster模块发送NREAD事务包请求数据,返回的数据进入SendFIFO,由FlexRayIP读取。若为接收,当时间片到时,链表控制器提供接收的基地址,数据收到后将存放于RecvFIFO中,结合接收基地址,通过NWRITE-R写入远端内存,之后发送Doorbell使处理器产生中断。其内存数据结构如图10所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图10 FlexRay内存数据结构

3.3 FPGA逻辑设计

本文设计通过硬件实现CAN总线控制器、FlexRay总线控制器、RapidIO总线接口等模块功能。采用Virtex6系列FPGAXC6VLX75T完成RapidIO-FlexRay、RapidIO-CAN协议转换功能。

FPGA单元包含SRIO控制器、microblaze软核及四路CAN控制器和两路FlexRay控制器。处理器将信号发送至PCIe-SRIO转接桥,经过桥芯片转换发送至SRIO交换板。交换板的一端将信号转发到SRIO控制器上,SRIO核通过PLB总线将控制信号发送至microblaze软核,经过处理信号通过PLB总线发送至四路CAN控制器和两路FlexRay控制器。每路CAN控制器均连接CAN转换器ADM3053,每路FlexRay控制器均连接FlexRay收发器JTA1080。经过转换器最终分别连接至CAN总线和FlexRay总线上。该逻辑设计的主要特点有3个:

(1)SRIO-PLB桥实现了总线接口单元模块的srio总线接入功能。

(2)CAN和FlexRay总线控制器通过板载收发器实现了CAN、FlexRay总线的接入功能。

(3)microblaze软核实现了CAN、FlexRay控制器消息和事件的预处理,完成了与SRIO总线的互连,并做了任务迁移,减轻了主控处理器的压力。

详细逻辑结构如图11所示。

基于FPGA的车电总线通信设计方案

图11 FPGA模块内部逻辑结构

4 仿真与验证

4.1 RapidIO仿真与验证

在Xilinx的ISE14.1开发环境下,基于车电总线接口单元模块对RapidIO接口进行了验证,利用ModelSim对逻辑设计进行仿真,其波形图如图12、图13所示,通过判断数据的一致性可以验证RapidIO总线接口的正确性和有效性。

图12 RapidIO数据发送时序图

图13 RapidIO数据接收时序图

4.2 FlexRay仿真与验证

基于车电总线接口单元模块对FlexRay接口状态机制进行了验证,利用ModelSim对逻辑设计进行仿真,其波形图如图14所示。

图14 FlexRay数据收发时序图

从仿真波形中可以清楚地看出FlexRay状态机制的变化过程。当节点的收发器接收到唤醒特征符后,对主机处理器和通信控制器进行上电,唤醒并激活通信控制器、总线驱动器和总线监控器。节点0被唤醒后,将返回唤醒完成信号,并处于等待启动状态。接着节点1收到唤醒信号,返回唤醒完成信号,节点1进入启动状态,节点0也进入启动状态,最终都进入主动工作状态,开始状态机循环,显示FlexRay总线接口工作正常。

4.3 CAN仿真与验证

调用FPGA内的CAN核基于车电总线接口单元模块对FlexRay接口状态机制进行验证,利用ModelSim对逻辑设计进行仿真,结果如图15所示。端口1发送扩展帧信号,端口0接收,当接收ACK信号时,端口1也接收ACK信号,完成整个扩展帧的收发过程。

图15 CAN数据收发时序图

图15说明了总线接口单元模块RapidIO接口、FlexRay接口和CAN接口完成仿真测试,工作正常,完成了RapidIO-FlexRay、RapidIO-CAN的协议转换功能。

5 结束语

目前,笔者所在团队已成功完成核心处理机系统正样样机的整体测试及验证工作。本文设计在该系统中已经通过功能性测试,基于RapidIO的CAN总线控制器在1Mb/s的最大波特率下工作正常,满足各项功能指标,基于RapidIO的FlexRay总线控制器在10Mb/s的最大波特率下也满足各项功能指标。下一步的工作将通过专业的CAN、FlexRay网络测试仪器对本文设计进行更全面的性能测试,同时将着重解决FlexRay总线接口的信道冗余问题,通过对FlexRay控制器IP核的升级,使之支持双信道通信,从而满足FlexRay真正意义上的双信道冗余要求。

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莱迪思推最佳FPGA逻辑设计软件 适用低功耗、低...

莱迪思半导体公司日前宣布推出其最佳的FPGA逻辑设计软件Lattice Diamond® v2.2软...

发表于 2019-05-27 10:23 126次阅读
莱迪思推最佳FPGA逻辑设计软件 适用低功耗、低...

Spectral Edge突破性FPGA图像信号...

位于英国剑桥的数码图像处理IP公司Spectral Edge已被Talents@Taipei机构认证...

发表于 2019-05-26 10:38 78次阅读
Spectral Edge突破性FPGA图像信号...

基于低成本FPGA的CPRI IP核实现

无线TEM(电信设备制造商)正受到布署基站架构的压力,这就是用更小体积、更低功耗、更低制造成本来建立...

发表于 2019-05-26 09:54 212次阅读
基于低成本FPGA的CPRI IP核实现

莱迪思回应物联网太广了 开一个芯片费用很高

“如果真的找到足够的量开一个ASIC(专用定制芯片),那的确是好方案,可是问题是物联网真的太广、太碎...

发表于 2019-05-25 11:44 1530次阅读
莱迪思回应物联网太广了 开一个芯片费用很高

物联网发展迎来新的活力 为FPGA的发展提供了机...

近些年来,物联网的发展为工业和医疗领域带来了新的活力。由此,也催生了工业物联网(IIoT)和医疗物联...

发表于 2019-05-24 16:15 1895次阅读
物联网发展迎来新的活力 为FPGA的发展提供了机...

Spectral Edge推出突破性FPGA图像...

位于英国剑桥的数码图像处理IP公司Spectral Edge已被Talents@Taipei机构认证...

发表于 2019-05-23 15:35 276次阅读
Spectral Edge推出突破性FPGA图像...

Achronix推出突破性的FPGA系列产品 为...

美国加州圣克拉拉市, 2019年 5月 21日—基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件加速器件和高性...

发表于 2019-05-23 15:28 257次阅读
Achronix推出突破性的FPGA系列产品 为...

MachXO3D FPGA从硬件角度重新定义安全...

“FPGA的应用设计是从FPGA本身的灵活性出发的,只是刚好AI能够在乘法器和加法器上跑运算。因此F...

发表于 2019-05-23 15:22 312次阅读
MachXO3D FPGA从硬件角度重新定义安全...

Achronix推出新7nm FPGA系列产品 ...

北京时间5月21日,总部位于美国加州圣克拉拉市的半导体公司Achronix,在中国深圳举办交流会,宣...

发表于 2019-05-23 15:14 153次阅读
Achronix推出新7nm FPGA系列产品 ...

人工智能需求促进FPGA市场 这一革新解决了应用...

在开发Speedster7t的过程中,Achronix的工程团队完全重新构想了整个FPGA架构,以平...

发表于 2019-05-23 14:55 1732次阅读
人工智能需求促进FPGA市场 这一革新解决了应用...

IDC发布2018年中国人工智能报告:GPU服务...

IDC公布最新的《2018年中国AI基础架构市场调查报告》,2018年中国AI基础架构市场销售额同比...

发表于 2019-05-22 10:49 3278次阅读
IDC发布2018年中国人工智能报告:GPU服务...

Altium Designer设计工具的用途及功...

Altium(前称Protel International Limited)有限公司由Nick Ma...

发表于 2019-05-21 14:40 424次阅读
Altium Designer设计工具的用途及功...

基于DSP与FPGA的双馈式风力发电变流器系统设...

目前风电技术可分为恒速恒频控制方式和VSCF控制方式。VSCF风力发电机可提供更高的风能利用效率,故...

发表于 2019-05-20 16:32 327次阅读
基于DSP与FPGA的双馈式风力发电变流器系统设...

关于FPGA的基础知识浅析

FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列。它是在P...

发表于 2019-05-20 16:14 460次阅读
关于FPGA的基础知识浅析

以太网的CAN总线系统设计

该设计以PIC32自带的以太网模块作为和外界网络联系的桥梁,实现对实验室(模型)的系统化管理。该系统...

发表于 2019-05-20 15:52 155次阅读
以太网的CAN总线系统设计

初入电子类的学生到底应该怎么发展

这是本文的作者向苏老师自荐的一篇文章,想必是基于其亲身体会写得比较真切,故转发在此,分享给标题中的朋...

发表于 2019-05-18 11:16 579次阅读
初入电子类的学生到底应该怎么发展

紫光同创的FPGA芯片目前已经有几个系列的产品完...

5月16日,紫光国微在投资者交流活动中表示,公司子公司紫光同创的FPGA芯片目前已经有几个系列的产品...

发表于 2019-05-17 15:34 600次阅读
紫光同创的FPGA芯片目前已经有几个系列的产品完...

基于CAN节点的信号边沿参数测量方案

CAN总线设计规范对于CAN节点的信号边沿各项参数都有着严格的规定,如果不符合规范,则在现场组网后容...

发表于 2019-05-17 15:18 113次阅读
基于CAN节点的信号边沿参数测量方案

一种采用像素积分单元阵列结构的FPGA实现与性能...

Adaboost 算法是Freund 和Schapire 于1995 年提出的,全称为Adaptiv...

发表于 2019-05-16 15:17 123次阅读
一种采用像素积分单元阵列结构的FPGA实现与性能...

TMP411 ±1°C Programmable...

TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...

发表于 2018-09-19 16:35 45次阅读
TMP411 ±1°C Programmable...

TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...

TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小保护频带提升性能,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...

发表于 2018-09-18 16:05 41次阅读
TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...