CN110519137A - 转接装置 - Google Patents

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傅怡颖
张南
顾燕飞
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Abstract

本发明提供的一种转接装置，包括：总线控制模块，总线控制模块与外部设备通信；RISC处理器，RISC处理器与总线控制模块通信；CAN控制器，CAN控制器与总线控制模块通信，CAN控制器连接CAN总线；FlexRay控制器，FlexRay控制器与总线控制模块通信，FlexRay控制器连接FlexRay总线。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1)传统网络中的设备可以使用CAN/FlexRay的初始化、发送和接收接口来操作车载总线，而无需在硬件上作出改动；2)能够实现对车载设备的精确控制，避免传统网络中不确定的丢包、延迟、抖动等影响；3)使用FPGA使方案的可扩展性强，即使要增加更多的总线类型接口，也可以仅通过扩展内部逻辑而无需修改整个系统架构。

Description

转接装置
技术领域
本发明涉及总线通信系统，特别是一种常规网络对CAN-FlexRay的转接装置。
背景技术
在常规的通信系统中，已有许多成熟的设备间互联方案，这些方案面向的是高灵活性、高度交换的组网，但由于网络的侧重点不同，无法直接将这些方案接入至车载网络中。
目前，车载网络广泛运用的技术有CAN和FlexRay两种:
1)CAN总线
CAN总线全称为“控制器局域网总线(ControllerAreaNetwork)”，是德国博世公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN通信速率可达1Mbit/s，每帧的数据段为8字节。
2)FlexRay总线
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。FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信，每一条的数据速率是10MBit/s，协议标准中定义了同步和异步帧传输，同步传输中保证帧的延迟和抖动，异步传输中有优先次序，还有多时钟同步，冗余通信能力，错误检测与避免，编码解码，物理层的总线监控设备等。FlexRay总线可以确保将信息延迟和抖动降至最低，从而尽可能保持了传输的同步与可测试。
由此可见，车载网络技术的关键在于实现完全可控的传输，以及精确的时隙、延迟、误码等控制，这些重点在常用网络协议中较少被关注。
现有技术，中国发明专利《一种车用FlexRay总线与以太网的协议转换装置》(公开号：102014139A)一种车用FlexRay总线与以太网的协议转换装置，属于网络通信技术领域。包括处理器及处理器外围电路、数据存储器电路、带隔离的FlexRay总线接口电路、带隔离的以太网接口电路、串行接口电路和电源电路。本发明结构简单、成本低、应用方便；可方便地采用便携式电脑上车对FlexRay总线进行实时监控；采用了完全的电气隔离措施，并在FlexRay总线对外接口端加入了总线保护电路，可以更好地起到抗干扰及保护内部电路和上位机的作用。
技术要点比较：该专利使用SST89E564RD单片机，通过外围电路控制MFR4200和以太网收发器进行协议互转，具有如下缺点：
1)功能较为单一。当前主流的CAN和FlexRay协议之间应用场景各有侧重，FlexRay面向更大带宽，而CAN面向高稳定性控制，仅有FlexRay与以太网协议的转接在实用场景中受到较大限制；
2)扩展性较差。该专利中使用单片机控制协议转换，如果需要在此基础上增加其他协议的支持，单片机远不及FPGA灵活，且无法做到多线程控制，很难确保车载协议的稳定性和同步。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种解决上述技术问题的转接装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种转接装置，包括：
总线控制模块，总线控制模块与外部设备通信；
RISC处理器，RISC处理器与总线控制模块通信；
CAN控制器，CAN控制器与总线控制模块通信，CAN控制器连接CAN总线；
FlexRay控制器，FlexRay控制器与总线控制模块通信，FlexRay控制器连接FlexRay总线。
优选地，在FlexRay总线上设有FlexRay模块。
优选地，FlexRay模块为MFR4310模块。
优选地，FlexRay总线至少为两条。
优选地，FlexRay控制器为MFR4310控制器。
优选地，RISC处理器包括MicroBlaze软核。
优选地，总线控制模块通过总线控制器与外部设备通信。
优选地，总线控制器通过通用总线与外部设备通信。
优选地，总线控制器、总线控制模块、RISC处理器、CAN控制器及FlexRay控制器集成为FPGA。
优选地，总线控制模块为PLB模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)传统网络中的设备可以使用CAN/FlexRay的初始化、发送和接收接口来操作车载总线，而无需在硬件上作出改动；
2)能够实现对车载设备的精确控制，避免传统网络中不确定的丢包、延迟、抖动等影响；
3)使用FPGA使方案的可扩展性强，即使要增加更多的总线类型接口，也可以仅通过扩展内部逻辑而无需修改整个系统架构。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明的架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改。
本发明要解决的技术问题体现在以下几点：
1)本发明提出的装置基于MicroBlaze实现了常用总线(如RapidIO，以太网等)的接入，能够在物理链路上无缝对接传统网络，尽可能减少对原系统的改动；
2)实现与CAN、FlexRay的总线接入，使外部网络连接能够兼容与传统车载总线的通信，实现终端设备的控制、同步等功能，能够继续利用车载网络协议的优势，对终端进行严格的交互控制。
如图1所示，本系统包括如下模块：
外部设备通过某种常用总线连接到本转接模块，通过本模块转为CAN/FlexRay总线协议，因此对外部设备而言，可以直接使用标准的CAN/FlexRay收发接口，而无需关心被转接前的总线是什么。本总线转接模块主要由Xilinx公司的FPGA芯片(带MicroBlaze软核)、MFR4310FlexRay芯片组成。
根据系统功能，又分为以下几个模块：
1)总线控制模块(PLB)：该部分在FPGA芯片实现，功能是对各总线的接入，对处理器(MicroBlaze软核)和协议功能模块提供地址访问，让它们之间能够简单地访问各自的寄存器和缓存空间。该模块的输入输出均为不带协议格式的普通数据，它们来自或被传输至各控制器模块。
2)控制器模块(包含CAN控制器、MFR4310控制器和常用总线控制器)：该部分在FPGA芯片实现，功能是对各协议进行封装处理，将需要传输的数据根据协议要求的格式打包，并遵循协议要求的时序进行收发。特别的，针对FlexRay协议，由于协议封装和时序控制是通过MFR4310完成的，因此该部分FPGA控制器主要功能是对芯片的接入控制。该模块与总线控制模块交互的数据流为普通数据，与外部总线交互的为各协议格式数据。
3)MicroBlaze模块：该部分是FPGA芯片中包含的一个处理器，主要完成对MFR4310在不同场景下的配置和控制，以此实现FlexRay总线功能。该模块只与总线控制模块交互，传输的是不带协议格式的普通数据。
1)CAN总线
外部设备通过通用总线向FPGA发送数据包，经过PLB总线将数据包转发到CAN控制器，CAN控制器将通用总线上的数据协议转换成CAN通讯协议，再发往CAN总线上的其它设备。
PLB总线通过接收到数据包的地址来区分该数据包是发往CAN控制器还是发往MFR4310控制器。对通用总线的数据帧格式进行自定义，来完成CAN控制器中寄存器的读写操作，数据帧中包含寄存器地址、寄存器读/写操作、写入寄存器的值等。
2)FlexRay总线
MicroBlaze通过PLB总线挂接MFR4310芯片后，可通过普通寻址访问芯片的寄存器空间，由此，可以在处理器端实现对MFR4310的基本配置和初始化。初始化需要进行的工作有：配置FlexRay总线的全局参数、各节点的局部参数、使用时槽的数量、时槽的规划信息及消息缓存的分配。参数配置完成后，需要给芯片发送wakeup命令，并监测其状态。在硬件正常的状态下，芯片的协议状态会经由wakeup到ready再到normal_active，由此才可认为初始化流程结束。芯片完成初始化后，在MicroBlaze端配置并使能MFR4310的中断号和对应的处理函数，由此，通过中断上报，处理器可以和芯片进行数据交互。
每片MFR4310引出一路冗余FlexRay通道(后写作A、B两通道)，芯片实现了FlexRay协议封装、数据缓冲区管理、总线同步和时槽管理、冗余模式等功能。在发送时，处理器将数据填入芯片缓冲区，由芯片根据总线上的时槽按序在A、B两个通道上同时分发；接收时，数据会被储存在对应时槽的缓冲区，由芯片往处理器发送中断，通知处理器取走数据，此时处理器得到的数据为A、B两通道上收到的第一个正确帧。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种转接装置，其特征在于，包括：
总线控制模块，总线控制模块与外部设备通信；
RISC处理器，RISC处理器与总线控制模块通信；
CAN控制器，CAN控制器与总线控制模块通信，CAN控制器连接CAN总线；
FlexRay控制器，FlexRay控制器与总线控制模块通信，FlexRay控制器连接FlexRay总线。
2.根据权利要求1所述的转接装置，其特征在于，在FlexRay总线上设有FlexRay模块。
3.根据权利要求2所述的转接装置，其特征在于，FlexRay模块为MFR4310模块。
4.根据权利要求1所述的转接装置，其特征在于，FlexRay总线至少为两条。
5.根据权利要求1所述的转接装置，其特征在于，FlexRay控制器为MFR4310控制器。
6.根据权利要求1所述的转接装置，其特征在于，RISC处理器包括MicroBlaze软核。
7.根据权利要求1所述的转接装置，其特征在于，总线控制模块通过总线控制器与外部设备通信。
8.根据权利要求7所述的转接装置，其特征在于，总线控制器通过通用总线与外部设备通信。
9.根据权利要求8所述的转接装置，其特征在于，总线控制器、总线控制模块、RISC处理器、CAN控制器及FlexRay控制器集成为FPGA。
10.根据权利要求1所述的转接装置，其特征在于，总线控制模块为PLB模块。
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