CN112383459A - 一种基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块 - Google Patents

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马云峰
靳五强
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Abstract

本发明公开了一种基于单片机的FlexRay‑CPCIe通信模块，其中，单片机最小***作为通信模块的处理核心，通过控制FlexRay总线收发器和PCIe总线协议的桥接芯片，实现通信模块与外部FlexRay高速总线网络之间的数据传输；FlexRay通信单元采用由单片机和总线收发器组成的FlexRay总线节点框架方案，其中，总线收发器受单片机最小***控制实现FlexRay总线数据收发，FlexRay通信协议由单片机执行；CPCIe通信单元由单片机控制PCIe总线协议的桥接芯片，实现计算机与通信模块之间数据交换。本发明可直接安装于具有CPCIe接口的计算机背板上，实现基于计算机的操作***对FlexRay总线网络进行开发、仿真和测试，增加FlexRay总线应用的便利性。

Description

一种基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，涉及一种基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，用于实现计算机通过PCIe***总线与FlexRay高速外部总线进行数据通信。
背景技术
总线通信广泛应用于各种工业控制网络中，主要为了解决不同电子设备之间的通信问题，尤其体现在航空航天、汽车制造、航海、自动控制、过程工业等领域。目前，应用时间长，技术发展成熟的外部总线通信技术包括CAN总线、1553B总线等，其具有高可靠性、高确定性和高容错性等特点。但随着科学技术的不断发展，日益增长的数据量和越来越高的实时性通信需求已经逐渐对传统的外部总线通信技术提出了挑战，新一代的高速外部总线技术FlexRay总线开始在相关领域得到应用。
FlexRay作为新一代高速串行外部总线协议，与传统总线相比，在通信速率/可靠性和灵活性等方面具备明显优势。FlexRay总线目前只应用于少数品牌的车载总线通信网络中，具有极大的应用前景。相比于CAN总线和1553B总线最高1Mbps的数据传输速率，FlexRay总线单通道上的数据传输速率最高支持10Mbps，两条通道的总传输速率最高可达20Mbps，因此能够适应大数据量和高实时性的通信要求；两条通道可实现单通道工作、双通道工作和冗余工作三种工作方式。此外，FlexRay总线网络拓扑结构灵活，支持点对点、总线型和有源星型等多种结构。在通信机制方面，FlexRay总线采用循环周期通信，数据帧最大支持到254帧，通过合理配置通信周期和消息长度，可保证接收节点提前预知消息到达时间。
在***总线通信网络中，第三代I/O总线-PCIe总线因其支持串行差分传输、带宽灵活和传输速率高等特点，逐渐替代第二代I/O总线-PCI总线技术，并大量应用于计算机背板接口，实现CPU、内存以及其他板卡之间的数据通信。相比于普通PCIe接口，CPCIe接口因其电磁兼容性强和抗氧化性好等特点，更广泛的应用于军工、测控、航空航天等诸多领域中。由于计算机具有人机交互性和***可操作性强等优势，普遍作为上位机或网络节点负责命令的收发、数据的采集和监测。通过将不同功能的板卡安装于具有CPCIe接口的计算机背板上，实现板卡间或板卡与计算机之间的通信。当计算机需要与外部总线通信时，应针对具体外部通讯总线协议，在机箱内增加基于CPCIe接口的总线通信模块。
但是，PCIe***总线与FlexRay高速外部总线两种通信协议之间互不兼容，制约了计算机在FlexRay总线通信网络中发挥作用的同时，也限制了FlexRay高速总线的应用范围。因此，设计一种基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，该模块可自由安装于计算机机箱背板上的CPCIe标准接口中，采用单片机完成对两种总线的收发控制，实现计算机通过PCIe***总线与FlexRay高速外部总线进行数据通信，并进一步实现基于计算机的操作***对FlexRay总线网络进行开发、仿真和测试，增加FlexRay总线应用的便利性。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对PCIe***总线与FlexRay高速外部总线两种通信协议之间互不兼容的问题，提出一种基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块的实现方法，实现了将计算机作为上位机或网络节点，与FlexRay总线通信，向FlexRay高速总线收发命令，采集和监测数据的功能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于单片机与FPGA的FlexRay-CPCIe通信模块，包括单片机最小***、FlexRay通信单元、CPCIe通信单元和电源电路单元。单片机最小***作为通信模块的处理核心，通过控制FlexRay总线收发器和PCIe总线协议的桥接芯片，实现通信模块与外部FlexRay高速总线网络之间的数据传输；FlexRay通信单元采用由单片机和总线收发器组成的FlexRay总线节点框架方案，其中，总线收发器受单片机最小***控制实现FlexRay总线数据收发，FlexRay通信协议由单片机执行；CPCIe通信单元由单片机控制PCIe总线协议的桥接芯片，实现计算机与通信模块之间数据交换；电源电路单元为通信模块各单元供电。所述通信模块安装于计算机机箱内CPCIe背板上，从而实现利用计算机操作***对FlexRay高速总线进行开发、测试等功能。
所述单片机最小***包括单片机芯片、时钟电路、复位电路和调试接口电路。
所述单片机芯片本专利中以NXP公司的MPC5644A微控制器为例，但不局限于同款芯片。
所述总线收发器芯片与单片机连接，本专利中总线收发器芯片以TJA1080为例，但不局限于同款芯片。
所述FlexRay通信单元采用单片机内部的FlexRay模块实现通信协议。
所述CPCIe通信单元采用PCIe总线协议的桥接芯片与单片机连接，本专利中桥接芯片以PEX8311为例，但不局限于同款芯片。
所述CPCIe通信单元采用CPCIe标准接口与计算机机箱内CPCIe背板连接，实现通信模块与计算机之间数据传输。
所述电源电路单元分别为单片机最小***、FlexRay通信单元和CPCIe通信单元提供供电需求。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，采用单片机实现对FlexRay通信单元和CPCIe通信单元的控制，FlexRay总线的数据经单片机处理后通过本地总线与PCIe总线协议的桥接芯片进行数据交换，并由CPCIe通信单元发送给计算机；同时，计算机下达的命令通过CPCIe通信单元由单片机控制FlexRay通信单元发送给总线上的指定终端，实现将计算机作为上位机或网络节点，向FlexRay高速总线收发命令、采集和监测数据的功能；本发明的有益效果及优点如下：
1、该通信模块可直接安装于具有CPCIe接口的计算机背板上；
2、实现PCIe***总线与FlexRay高速外部总线两种通信协议之间数据的交换。
3、实现基于计算机的操作***对FlexRay总线网络进行开发、仿真和测试，增加FlexRay总线应用的便利性。
附图说明
图1本发明基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块原理图；
图2本发明单片机最小***原理图；
图3本发明CPCIe通信单元原理图；
图4本发明FlexRay通信单元原理图；
图5本发明电源模块原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明一种基于单片机与FPGA的FlexRay-CPCIe通信模块原理图，通信模块包括单片机最小***、FlexRay通信单元、CPCIe通信单元和电源电路单元，单片机最小***作为通信模块的处理核心，通过控制FlexRay总线收发器和PCIe总线协议的桥接芯片，实现通信模块与外部FlexRay高速总线网络之间的数据传输；FlexRay通信单元采用由单片机和总线收发器组成的FlexRay总线节点框架方案，其中，总线收发器受单片机最小***控制实现FlexRay总线数据收发，FlexRay通信协议由单片机执行；CPCIe通信单元由单片机控制PCIe总线协议的桥接芯片，实现计算机与通信模块之间数据交换；电源电路单元为通信模块各单元供电。所述通信模块安装于计算机机箱内CPCIe背板上，从而实现利用计算机操作***对FlexRay高速总线进行开发、测试等功能。
图2为本发明单片机最小***原理图。单片机最小***包括单片机芯片、时钟电路、复位电路和调试接口电路。单片机芯片采用NXP公司的MPC5644A微控制器，该芯片基于e200z4 Power Architecture core结构，具有150MHz工作频率；1个双通道FlexRay接口，并在内部完成了对FlexRay通信协议的移植；1个可配置用于本地总线的EBI接口。时钟电路采用高精度外部晶振；配置接口可满足调试(JTAG)模式和。
图3为本发明CPCIe通信单元原理图。CPCIe通信单元采用PCIe总线协议的桥接芯片与单片机连接实现PCIe数据的收发，桥接芯片采用PEX8311。单片机与PEX8311之间采用16位本地总线的数据线与地址线非复用模式(C模式)设计，连接信号主要包括时钟信号、数据信号、地址信号、读/写使能信号、中断信号、操作完成信号、申请使用本地总线信号、本地总线使用应答信号、总线访问有效地址的开始信号和总线访问最后一位的传输信号。
图4为本发明FlexRay总线通信单元原理图。FlexRay总线通信单元采用通信控制器和总线驱动器的FlexRay总线节点框架方案，包括一个通信控制器分别与两个总线驱动器。通信控制器芯片与FPGA连接，采用MFR4310；两个总线驱动器芯片分别与通信控制芯片连接，采用TJA1080。单片机与总线驱动器之间通过数据信号与收/发使能信号相连。
图5为本发明电源模块原理图。电源模块采用多输出DC/DC芯片为通信模块提供稳定电源。FPGA涉及1.2V、1.5V和3.3V供电，单片机为1.2V和3.3V供电，TJA1080和PEX8311为3.3V供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，包括单片机最小***、FlexRay通信单元、CPCIe通信单元和电源电路单元，单片机最小***作为通信模块的处理核心，通过控制FlexRay总线收发器和PCIe总线协议的桥接芯片，实现通信模块与外部FlexRay高速总线网络之间的数据传输；FlexRay通信单元采用由单片机和总线收发器组成的FlexRay总线节点框架方案，其中，总线收发器受单片机最小***控制实现FlexRay总线数据收发，FlexRay通信协议由单片机执行；CPCIe通信单元由单片机控制PCIe总线协议的桥接芯片，实现计算机与通信模块之间数据交换。
2.如权利要求1所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述通信模块安装于计算机机箱内CPCIe背板上，从而实现利用计算机操作***对FlexRay高速总线进行开发、测试等功能。
3.如权利要求2所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，还包括：电源电路单元，用于为组成通信模块的各单元供电。
4.如权利要求3所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述单片机最小***包括单片机芯片和与其连接的时钟电路、复位电路、配置接口。
5.如权利要求4所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述单片机芯片采用NXP公司的MPC5644A微控制器，该芯片基于e200z4 Power Architecture core结构，具有150MHz工作频率。
6.如权利要求5所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述配置接口包括1个双通道FlexRay接口，在内部完成对FlexRay通信协议的移植；1个可配置用于本地总线的EBI接口。
7.如权利要求6所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述时钟电路采用外部晶振。
8.如权利要求7所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述CPCIe通信单元采用PCIe总线协议的桥接芯片与单片机连接实现PCIe数据的收发，桥接芯片采用PEX8311；单片机与PEX8311之间采用16位本地总线的数据线与地址线非复用模式设计，连接信号包括时钟信号、数据信号、地址信号、读/写使能信号、中断信号、操作完成信号、申请使用本地总线信号、本地总线使用应答信号、总线访问有效地址的开始信号和总线访问最后一位的传输信号。
9.如权利要求8所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述FlexRay总线通信单元采用通信控制器和总线驱动器的FlexRay总线节点框架方案，包括一个通信控制器与两个总线驱动器，通信控制器芯片连接FPGA，两个总线驱动器芯片分别与通信控制器芯片连接，单片机与总线驱动器之间通过数据信号与收/发使能信号相连。
10.如权利要求9所述的基于单片机的FlexRay-CPCIe通信模块，其特征在于，所述电源模块采用多输出DC/DC芯片为通信模块提供稳定电源。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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