為提高集成架構(gòu)中車電總線通信速率，結(jié)合綜合化處理系統(tǒng)項(xiàng)目要求，采用雙總線結(jié)合的方式，利用CAN總線和FlexRay總線實(shí)現(xiàn)功能及搭配上的互補(bǔ)，提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的總線接口單元設(shè)計(jì)方案。通過FPGA完成CAN總線控制器、FlexRay總線控制器、RapidIO總線接口等模塊功能，實(shí)現(xiàn)高速接口的控制和擴(kuò)展，并使模塊接口具備可配置能力。測(cè)試結(jié)果表明，CAN接口及FlexRay接口在指定的波特率下均工作正常，滿足項(xiàng)目要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1 概述

　　CAN總線是一種有效地支持分布式控制或者實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有多主機(jī)、高性能以及高可靠性。然而隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，早期的CAN總線已經(jīng)不能很好地解決眾多電子設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信問題。由FlexRay聯(lián)盟制定的FlexRay協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)成為一種理想的解決方案。FlexRay通訊協(xié)議運(yùn)用于可靠的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中，是一種具備故障容錯(cuò)的高速汽車總線系統(tǒng)。作為一種靈活的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，F(xiàn)lexRay具有高速、可靠及安全的特點(diǎn)，它不僅能簡(jiǎn)化車載通信系統(tǒng)的架構(gòu)，而且有助于汽車電子單元獲得更高的穩(wěn)定性和可靠性。FlexRay在物理上通過2條分開的總線進(jìn)行通信，每一條的數(shù)據(jù)速率是10 Mb/s。CAN網(wǎng)絡(luò)最高性能極限為1Mb/s，而FlexRay總數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Mb/s。FlexRay還能夠提供很多網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠性特點(diǎn)，尤其是FlexRay具備的冗余通信能力，通過硬件可實(shí)現(xiàn)完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，并進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)測(cè)。CAN總線和FlexRay總線兩者在功能及搭配上可實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。FPGA在數(shù)字電路設(shè)計(jì)上非常靈活且性能強(qiáng)大，在不改變外圍電路的情況下，可以編寫不同的片內(nèi)電路邏輯，以實(shí)現(xiàn)不同功能或進(jìn)行功能擴(kuò)展。

本文提出的車電總線接口單元綜合考慮用戶的具體需求，保留CAN總線作為衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備接口總線，其余接口總線采用高速的FlexRay總線，既兼容較低速接口的通信速率要求，又滿足高速總線接口的需要，將CAN和FlexRay總線結(jié)合在一起，基于FPGA，使成本與效益最大化。

2 車電總線架構(gòu)

　　本文綜合化處理系統(tǒng)項(xiàng)目中處理系統(tǒng)采用多處理器結(jié)構(gòu)，板間通信數(shù)據(jù)量較大。若采用PCI總線進(jìn)行信號(hào)傳輸則由于PCI總線帶寬有限，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)容易形成通信瓶頸，且PCI總線不支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。若選用以太網(wǎng)，則傳輸速率較低，軟件開銷較大，且高帶寬帶來的高成本使它在系統(tǒng)內(nèi)互連時(shí)缺乏吸引力。結(jié)合項(xiàng)目采用高速實(shí)時(shí)總線的具體要求，最終選擇基于VPX架構(gòu)的RapidIO總線進(jìn)行通信傳輸。VPX總線采用高速串行總線技術(shù)替代VME總線的并行總線技術(shù)，支持更高的背板帶寬。其交換式結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)整體性能不再受主控板的控制，提高了系統(tǒng)的整體性能。通過串行RapidIO(SRIO)轉(zhuǎn)換，完成了RapidIO-CAN、RapidIO-FlexRay協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)了車電總線與任務(wù)總線(RapidIO)的無縫連接，進(jìn)而滿足了處理系統(tǒng)項(xiàng)目高速、多處理器、實(shí)時(shí)的通信傳輸要求。

2.1 CAN技術(shù)
　　控制器局部網(wǎng)(ControllerAreaNetwork,CAN)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。

(1) CAN的分層結(jié)構(gòu)
　　CAN遵從OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為2層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[3-4]，如圖1所示。

圖1 CAN分層結(jié)構(gòu)

按照IEEE802.2和802.3標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制和媒體訪問控制；物理層又劃分為物理信令、物理媒體附屬裝置和媒體相關(guān)接口。其中，邏輯鏈路控制子層為數(shù)據(jù)傳遞和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)；訪問媒體控制子層的功能主要是傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢驗(yàn)、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。

(2) CAN總線的主要特點(diǎn)
　　CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻都可以主動(dòng)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，方式靈活。其采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全域廣播方式傳遞信息，多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，按優(yōu)先級(jí)順序通信，節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓。報(bào)文傳送采用短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，檢錯(cuò)效果好。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，脫離網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化[6].

2.2 FlexRay技術(shù)
(1) FlexRay分層結(jié)構(gòu)
　　FlexRay的分層結(jié)構(gòu)由物理層、傳輸層、表示層及應(yīng)用層組成。物理層定義了信號(hào)的實(shí)際傳輸方式，包括在時(shí)域上檢測(cè)通信控制器故障的功能；傳輸層是FlexRay協(xié)議的核心，它的功能是從表示層獲得節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的信息和把網(wǎng)絡(luò)上接收的信息傳送給表示層；表示層完成信息過濾、信息狀態(tài)處理以及通道控制器與主機(jī)的接口；應(yīng)用層由應(yīng)用系統(tǒng)定義。