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摘要：研究基于MFR4200的FlexRay总线在嵌入式数字信号处理器OMAP5912上的实现。整个系统以DSP为核心，采用Freescale公司的MFR4200总线控制器实现FlexRay通信协议，进行数据收发。系统制造简单，集成度高，适用于车内多种电子设备的局域总线实现。
引言
FlexRay总线是最近推出的一种采用点对点（星型拓扑结构）连接，借助无屏蔽或屏蔽双绞线电缆的先进高速串行同步和异步通信系统。FlexRay总线具有故障容限，可提供500 kbps～10 Mbps的确定数据传输速率和24位CRC（循环冗余）校验码。FlexRay是一种时间触发型总线，所有的子系统按照预先设定的时隙进行连续通信。FlexRay总线的推出可以解决目前车载多种电子设备的网络连接问题，而早期的CAN总线和LIN总线已经无法满足现代车载电子设备的高速通信要求。
本文介绍一种在嵌入式数字信号处理器（DSP）OMAP5912上实现FlexRay总线的方法。FlexRay总线负责将各个设备的数据传输到DSP，DSP负责对数据进行分析和处理。由于系统采用了DSP，因此可以对车载电子的语音和图像数据的复杂算法进行处理。本文着重讨论DSP和FlexRay总线的软硬件连接。
1 FlexRay总线及其控制器MFR4200
FlexRay总线是一种全新的总线系统。其主要特性有：
① 支持双通信通道，每个通道的速率均达到10 Mbps。与CAN协议相比，可用的带宽提高了10～40倍。
② 总线数据的访问是基于同步时基的。该时基通过协议自动建立和同步，并提供给应用层。时基的精确度介于0.5 μs和10 μs之间。由于采用同步时基，消息在通信周期中拥有固定位置，接收器已经提前知道了消息到达的时间，因此可以根据时间对各种特殊情况进行相应的处理。
③ FlexRay总线提供消息冗余传输或非冗余传输两种选择，系统可以进行优化，以提高可用性或吞吐量,用户无需调整现有节点中的软件就可以扩展整个系统;同时，支持总线或星型拓扑结构。FlexRay总线提供了大量配置参数，可以支持对系统进行调整，如通信周期的持续时间、消息长度等，以满足不同应用场合的需求。
FlexRay总线的这些特性使其可以用于替代CAN总线,适合车载骨干网络、分布式控制系统以及安全系统等应用场合。目前已有多家公司生产FlexRay总线控制器。这里选用Freescale公司的MFR4200总线控制器，介绍其内部结构以及和DSP的软硬件连接方法。
MFR4200总线控制器的内部功能框图如图1所示。从图中可以看出，MFR4200总线控制器主要由物理层接收/发送通道、主机HCS12接口、MEM控制器、电源管理模块以及时钟管理模块等多个部分组成。
图1 MFR4200内部功能框图
物理层通道有两个独立的接收/发送通道，每个通道的速率均达到10 Mbps。在工作状态下，主机可以访问MFR4200的接收通道FIFO和发送消息缓冲区；通过对FIFO和消息缓冲区的配置、控制和读写，实现对物理层数据的收发。接收FIFO最大可以存储59个消息，总线上的数据帧都将到达总线上所有的MFR4200。每一个MFR4200在收到总线数据帧后，都将经过接收滤波器；滤波器将不属于自己地址的数据帧滤除，只将属于自己的数据帧和广播帧存储到接收FIFO中。
2 系统硬件结构
整个系统由OMAP5912、MFR4200、AD/DA、人机接口以及Flash组成,硬件连接如图2所示。图中，DSP是核心控制单元；AD用于将采集的模拟信号转变成数字信号，DA将数字信号转换成模拟信号；人机接口包括LCD和键盘接口；Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上电调用。此外，将DSP的HPI接口连接到PC机，这样所有的总线数据均可以通过PC机存储和显示，PC机的数据也可以通过DSP发送到总线上。可以根据不同的需要选择PC机或者LCD和键盘。图中，EMIFS（External Memory Interface Slow）是OMAP5912的慢速外部存储器接口。
图2 系统硬件连接总框图
AD负责采集电子设备的数据，可以是温度传感器数据、颜色传感器数据，也可以是语音信号、图像信号或者其他信号。DSP对这些数据处理后，将处理后的结果根据不同的情况通过MFR4200发送到总线上的其他节点；相反，DSP通过MFR4200读取总线上其他节点发送的数据帧，DSP对这些数据帧进行处理，将结果发送到DA，可以实现对本节点电子设备状态的控制。
3 MFR4200和OMAP5912的硬件设计
MFR4200和OMAP5912的连接是系统硬件连接的关键，具体连接如图3所示。使用OMAP5912的EMIFS接口连接MFR4200。EMIFS可以方便地和外部Flash、异步SRAM等设备连接。本系统的MFR4200控制器模块FlexRay总线协议，其最高数据传输速率为10 Mbps，OMAP5912的EMIFS接口适合满足其速度要求。
图3 MFR4200和OMAP5912的连接
MFR4200和OMAP5912的EMIFS连接，MFR4200作为OMAP5912的外部16位从异步设备。由于OMAP5912的内部数据总线宽度为32位，而MFR4200的数据总线宽度为16位，因此，将每32位数据分成两个16位数据传输。当MFR4200有数据上传时，使用INT_CC引脚发送中断信号到OMAP5912的外部中断引脚EXT_INT4，OMAP5912根据当前自身的工作情况来处理和MFR4200的通信。OMAP5912也可以使用通用I/O引脚控制MFR4200的复位信号，当连续多次未收到MFR4200的响应信号时，OMAP5912可以软件复位MFR4200，从而避免通信的互锁现象。此外，MFR4200的#IF_SEL0和#IF_SEL1引脚上拉后直接连接到物理层。
4 MFR4200和OMAP5912的软件设计
MFR4200的初始化流程如图4所示。首先设置标准电压，可以是5 V和3.3V。由于本系统和OMAP5912连接，采用3.3 V标准电压。初始化设置 数据和地址总线后，读取MFR4200的MNR（Magic Number Register）寄存器。一旦MFR4200初始化成功，该寄存器内容为0x0815，之后，就可以设置MFR4200的其他寄存器，进行正常的总线数据读写。
图4 MFR4200的初始化流程
OMAP5912和MFR4200的数据通信流程如图5所示。系统初始化后，OMAP5912判断当前是否有数据读写。数据的读是通过判断是否有挂起的硬件中断，该中断由MFR4200产生，一旦MFR4200收到总线数据帧，都将发出该中断；数据写是通过判断上层程序是否有数据发的软件中断。无数据读写情况下，OMAP5912将定期发送测试命令到MFR4200，以便确定MFR4200在正常工作。也可以根据需要，将MFR4200设置到低功耗状态，这样就不需要发送测试命令。如果读取的数据的校验错误较多，则表明无线通信当前的信道噪声很大，或者MFR4200的总线被干扰出现紊乱。OMAP5912将软件复位MFR4200模块，使得MFR4200重新设置总线，避免在低信噪比情况下多次重复发送同样的数据，缩短无效通信时间。
图5 数据通信流程
由于OMAP5910具有C55系列DSP核，因此一些数字信号处理算法可以很容易地实现。对于语音信号，可以进行滤波以提高语音质量；对于图像信号，可以进行图像识别。在车载电子设备中，图像识别可以检测车前方的各种情况，以便进行相应的自动处理，使得系统更实用，应用范围更广。
5 总结
在基于OMAP5912和MFR4200的总线控制器连接设计中，使用OMAP5912的EMIFS接口连接总线控制器MFR4200，可实现FlexRay总线的数据收发。使用MFR4200模块实现总线协议，使系统结构简单，实现方便。由于采用具有DSP核的处理器，系统还可以方便地应用各种数据信号处理算法，尤其适合车载电子设备的语音和图像处理。
参考文献
[1] 汪安民. TMS320C54xx DSP实用技术[M]. 北京：清华大学出版社，2002.
[2] 汪安民，程昱．DSP应用开发实用子程序[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.
[3] Texas Instruments Inc. OMAP5912 DualCore Processor Data Manual， 2004.
[4] Freescale Semiconductor Corp. MFR4200 Data Sheet FlexRay Communication Controllers， 2005.
作者：蔡湘平 汪安民 张松灿 来源：《单片机与嵌入式系统应用》
