FlexRay總線控制器和TC1796MLI接口設(shè)計

　　摘要研究了FlexRay總線控制器CIC310和微處理器TC1796的微連接口（MLI）的數(shù)據(jù)傳輸原理和總線協(xié)議，使用TC1796和CIC310實現(xiàn)MLI接口的高速數(shù)據(jù)傳輸，并介紹了一個主控制器連接多個MLI模塊的軟件和硬件實現(xiàn)方法。整個系統(tǒng)集成度高，適合車載電子設(shè)備的大量數(shù)據(jù)傳輸。

　　關(guān)鍵詞 TC1796 MLI接口 CIC310 FlexRay總線

　　引言

　　FlexRay總線是一種點對點形式的具有星形拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸總線。提供了傳統(tǒng)總線通信協(xié)議所不具有的一些特性。FlexRay簡化了車載電子設(shè)備之間的通信系統(tǒng)架構(gòu)，使得車載電子單元變得更加穩(wěn)定和可靠。FlexRay總線具有故障容限，可提供500 kbps～10 Mbps的確定數(shù)據(jù)傳輸速率和24位CRC（循環(huán)冗余）校驗碼。

　　FlexRay總線支持2×10 Mbps的數(shù)據(jù)速率，與CAN總線協(xié)議相比，可用的帶寬提高了10～40倍。總線速率的提高使電子設(shè)備可以快速從總線獲取信息，也可以快速將自身信息傳送到總線上的其他設(shè)備。微處理器和FlexRay總線控制器的數(shù)據(jù)通信一般采用串行方式、并行方式以及其他方式。并行接口方式是早期采用的高速數(shù)據(jù)傳輸方式，但以更高速率傳輸時則存在多種問題。由于數(shù)據(jù)和地址總線較多，使得接口復(fù)雜，PCB布線難度增大，在高速時鐘下每根數(shù)據(jù)線和地址線都要求盡量等長，否則可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)和地址傳輸時相應(yīng)位的紊亂，無法正確傳輸數(shù)據(jù)。串行方式硬件連接方便，內(nèi)部最少只需數(shù)據(jù)收和數(shù)據(jù)發(fā)2根線，但傳輸速率較慢。

　　本文介紹一種微連接口MLI（MicroLink Interface）實現(xiàn)總線傳輸，使用FlexRay總線控制器CIC310及處理器TC1796。CIC310采集總線上各個節(jié)點的通信數(shù)據(jù)，并對總線負載和總線容量進行檢測和控制。TC1796將各個節(jié)點數(shù)據(jù)進行處理，他們之間采用微連接口MLI，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，最快數(shù)據(jù)傳輸速率達到37.5 Mbps，完全滿足2×10 Mbps的總線數(shù)據(jù)速率。

　　1 FlexRay控制器CIC310

　　CIC310是英飛凌公司最近推出的FlexRay總線控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，CIC310總線控制器主要由ERay模塊、DMA模塊、時鐘管理模塊、中斷模塊、內(nèi)存和數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)接口模塊等組成。

　　圖1 CIC310內(nèi)部功能框圖

　　CIC310有3種接口方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，這3種方式分別為SSC（Synchronous Serial Channel，串行接口）方式、XMU（Demultiplexer 8/16 bit Parallel Interface，非復(fù)用的8/16位并行接口）方式和MLI方式。其中SSC為一般的串口連接方式，具有連接簡單和連接線少的特點，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低；XMU接口為并口連接方式，數(shù)據(jù)傳輸速度比串口方式快很多，但連接線較多；MLI接口為專用接口方式，一般可以和專用車載控制器連接。英飛凌的TC1796具有和CIC310連接的MLI接口。

　　CIC310和總線接口有2個獨立的收發(fā)通道，每個通道的數(shù)據(jù)傳輸速度可達10 Mbps，片內(nèi)ERay模塊主要負責(zé)總線數(shù)據(jù)的收發(fā)、總線和DMA模塊的數(shù)據(jù)交互、向外設(shè)產(chǎn)生各種中斷以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫時鐘的管理等。ERay模塊一般經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波器，將一些廣播幀和總線上其他用戶的數(shù)據(jù)幀濾除后，將本用戶的數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)紺IC310片內(nèi)的DMA模塊。DMA模塊進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)校驗，可以采用事先設(shè)定的數(shù)據(jù)系數(shù)進行處理。

　　2 微處理器TC1796

　　TC1796是基于英飛凌公司TriCore處理器架構(gòu)的32位微控制器，在一塊芯片中集成了微控制器、微處理器和數(shù)字信號處理器。具有2 MB的嵌入式Flash和多種創(chuàng)新的片上外設(shè)，如毫秒總線、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微連接口以及新穎的高性能三總線結(jié)構(gòu)，提升了系統(tǒng)總體性能，同時降低了系統(tǒng)成本。其主要特點有：

　　◆ 具有4級流水及并行架構(gòu)的高性能32位CPU，完全集成DSP處理能力，具有單精度浮點運算單元，工作頻率達150 MHz；

　　◆ 具有32位外設(shè)控制處理器，2 MB嵌入式程序Flash、128 KB數(shù)據(jù)Flash、16 KB仿真EEPROM、192 KB片上SRAM；

　　◆ 具有16通道DMA控制器，支持同步burst Flash訪問的32位外部總線接口單元，支持2×255個硬件中斷源；

　　◆ 具有2個毫秒總線接口、2個通用定時器陣列模塊、2個異步/同步串行通道、2個高速同步串行通道、2個高速微連接口、4個CAN節(jié)點、4通道快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個具有8/10/12位精度的16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　圖2 TC1796內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　TC1796的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)部主要由PMU（Program Memory Unit，程序存儲單元）、DMU（Data Memory Unit，數(shù)據(jù)存儲單元）、FPU（Floating Point Unit，浮點單元）、PMI（Program Memory Interface，程序存儲接口）、DMI（Data Memory Interface，數(shù)據(jù)存儲接口）、PCP（Peripheral Control Processor，片內(nèi)外設(shè)控制處理器）、STM（System Timer，系統(tǒng)定時陣列）和PLL（Phase Locked Loop，鎖相環(huán)）等組成。外部接口包括ADC、FADC（快速ADC）、串口、JTAG（仿真口）、GPIO（通用I/O口）、ASC（異步串口）、CAN、MSC（Micro Second Channel，毫秒口）、MLI口等。

　　3 MLI接口

　　MLI接口是一種快速同步串行接口，可以在CPU不參與的情況下進行數(shù)據(jù)傳輸。圖3是MLI接口的典型連接框圖。

　　圖3 MLI連接框圖

　　圖3中，具有MLI接口的處理器稱為本地控制器，另一個則為遠程控制器。雙方都具有發(fā)送器和接收器。發(fā)送器和接收器之間進行物理連接。本地控制器初始化數(shù)據(jù)和交互參數(shù)，并負責(zé)控制所有的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。每一次數(shù)據(jù)收發(fā)都必須由本地控制器發(fā)起，遠程控制器只是被動地響應(yīng)本地控制器的命令，讀取或者發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有3個以上的MLI接口進行連接，則只能有1個本地控制器，其他均設(shè)置成遠程控制器。本地控制器具有1個發(fā)送窗口，所有的發(fā)送數(shù)據(jù)均通過發(fā)送窗口寫入發(fā)送器并發(fā)送出去。本地控制器接收到數(shù)據(jù)后通過中斷方式通知CPU或者DMA進行讀取數(shù)據(jù)。遠程控制器具有1個遠程窗口，沒有發(fā)送窗口；但遠程控制器不能控制遠程窗口，遠程窗口和發(fā)送窗口一樣，都是由本地控制器操作。實際上，遠程控制器相當(dāng)于一個完全被動的設(shè)備。遠程控制器收到數(shù)據(jù)將自動或者手動放到遠程窗口中，由遠程控制器的CPU或者DMA從相應(yīng)地址讀取。當(dāng)遠程控制器的CPU或者DMA需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，本地控制器控制遠程窗口讀取相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，并從發(fā)送器發(fā)送到本地控制器的接收器。

　　4 TC1796和CIC310的MLI接口連接

　　TC1796最多可以和4個CIC310的MLI接口連接，這樣1個處理器就可以連接4個總線控制器，從而控制8個總線節(jié)點并進行數(shù)據(jù)通信（每個CIC310控制2個總線節(jié)點），節(jié)省處理器成本。圖4為TC1796和2個CIC310的MLI接口連接。TC1796必須作為本地控制器，2個CIC310均為遠程控制器。

　　圖4 TC1796與2片CIC310連接

　　TC1796向CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)的連接說明如下：MLI的接收器具有4個引腳，分別為RREADYA（接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志）、RVALIDA（接收數(shù)據(jù)有效標(biāo)志）、RDATAA（接收數(shù)據(jù)）、RCLKA（接收時鐘）；對應(yīng)的發(fā)送器也具有TREADYA（發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志）、TVALIDA（發(fā)送數(shù)據(jù)有效標(biāo)志）、TDATAA（發(fā)送數(shù)據(jù)）、TCLK（發(fā)送時鐘）。其中TDATA和TCLK引腳由TC1796輸出，連接到每個CIC310的RDATAA和RCLKA引腳，這樣每個CIC310都采用同一個時鐘和數(shù)據(jù)信號。TC1796的4個MLI接口具有4個發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志和發(fā)送數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，分別為TREADYA～TREADYD、TVALIDA～TVALIDD。將每個MLI的一對這樣的引腳連接到1個CIC310上，就完成對不同CIC310的選擇，從而區(qū)分出對哪個CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)。從硬件連接可以看出，TC1796雖然可以和多個CIC310連接，但同時只能對1個CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　TC1796接收CIC310的數(shù)據(jù)連接說明如下：TC1796的MLI接收器每個接口都具有獨立的4個引腳，RREADYA～RREADYD、RVALIDA～RVALIDD、RDATAA～RDATAD、RCLKA～RCLKAD，這樣每個接口正好和CIC310的發(fā)送器的4個引腳連接，可以同時接收4個CIC310的數(shù)據(jù)。在TC1796內(nèi)部，將每個CIC310連接到不同的DMA中斷上，使用DMA進行數(shù)據(jù)讀取。

　　TC1796與多個CIC310進行連接，采用下行單向通信（TC1796向CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)）、上行并行通信（CIC310向TC1796發(fā)送數(shù)據(jù)）的目的是減少總線負載。當(dāng)總線節(jié)點有數(shù)據(jù)向處理器發(fā)送時，處理器總是及時讀取數(shù)據(jù)，避免總線重發(fā)數(shù)據(jù)，同時避免CIC310無法存儲突發(fā)的大量數(shù)據(jù)幀。當(dāng)處理器需要向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，即使處理器需要同時向多個總線節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，依然采用單個節(jié)點輪流發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，避免處理器同時將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，增加總線負載。一旦總線負載增加，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率將大大增加，使得總線惡化。

　　參考文獻

　　[1] Infineon Technologies Inc. TC1796 32Bit SingleChip Microcontroller User’s Manual，2007.

　　[2] Infineon Technologies Inc. SAKCIC310OSMX2HT FlexRay Communication Controller Data Sheet，2007.