基于DSP和FPGA的车载...N总线数据记录仪设计与实现_倪云龙.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering80近年来，随着汽车电子技术的发展，汽车电子电气系统自动化、智能化1程度大幅提升，车载电子控制单元数量2也随之逐渐增加。但是整车系统智能、安全程度的提高，同样极大地增加了车辆电气网络架构的复杂程度：各车载电子控制单元之间工作状态高度关联，技术状态复杂，对日常维护及故障排查工作带来了极大的挑战。依靠传统经验分析方法进行分析已难以满足任务需求。在一些高性能、高可靠的应用场景下，为了方便特种车辆日常维护，以及系统联调时对异常工作状态进行分析，在车控 CAN 总线网络上都会设置数据记录仪单元3，用于对各车载电子控制单元工作过程4进行记录。本文实现了一种车载 CAN 总线数据记录仪，该记录仪具有如下特点：基于 DSP 和 FPGA 的车载 CAN 总线数据记录仪设计与实现倪云龙沈丹丹赵双领(中国电子科技集团公司第五十八研究所 江苏省无锡市 214072）摘要：本文为了能对车载电子控制单元进行快速故障定位，设计实现了一种 CAN 总线数据记录仪；该记录仪采用了 DSP+FPGA 处理器架构，在 FPGA 内部通过实例化 IP 核来实现多路 CAN 总线控制器，并实现了 eMMC、USB2.0等多种通讯协议；DSP 作为主处理器，调用 FPGA 实现的底层驱动接口，完成 CAN 总线数据接收、解析、存储功能。试验表明，该数据记录仪能够实时、准确地记录 CAN 总线上的数据，工作稳定可靠，读取数据便捷，具有较好的应用前景。关键词：数据记录仪；CAN 总线；DSP4 试验结果分析使用数字信号发生器、电源等设备对本文设计的频率信号采集装置进行测试验证，信号发生器在1Hz10kHz 频段选取 10 个测试点进行分析：见表 1，根据试验结果可知，本文设计的频率信号采集装置在 1Hz10kHz 频段的频率采集精度较高，可满足设计的 1%的精度要求。5 结束语本文的频率信号测量装置，被测信号经放大处理，并通过整形电路将信号转换成脉冲信号，通过单片机读取单位时间内的脉冲数，计算出被测信号的频率值。经验证，可满足频率采集精度 1%的要求（被测信号频率10kHz）。本设计具有结构简单、精度高等优点，能够在不同处理器平台间进行移植，极大满足了多种场景的应用。参考文献1 祁丽婉,吉彦平,石玉军,张杭.基于 DSP 的电力谐波分析方法 J.信息通信,2017(09):1-3.2 吕新,张博,刘志坚,王瑞,阚京波.STM32 的频率采集方法在实时操作系统的应用 J.电子技术与软件工程,2021(21):36-38.3 王晓勇,吕俊,王俊.基于 DSP+FPGA 的飞机轮速测量系统设计J.电子测量技术,2014,37(07):62-65.4 吴晓娜.基于 VxWorks 的配电终端频率采集方法研究 J.电子世界,2018(09):38-39.DOI:10.193535 樊芊.STM32 中基于 DMA 的频率信号采集 J.信息通信,2019(03):143-145.6 张玉杰,高深圳.基于 DMX512 协议的无线通信照明控制系统设计 J.单片机与嵌入式系统应用,2018,18(11):26-28+32.7 任克强,王传强.基于 STC8F1K08S2 的串口驱动 OLED显示系统设计 J.电子器件,2022,45(01):40-44.8 张弛.非连续模拟差分信号频率与相位采集方法研究 J.航空计算技术,2018,48(05):233-235.作者简介赵兀君，硕士研究生。研究方向为现代电力电子技术。高深圳，男，硕士研究生。研究方向为控制工程、嵌入式开发，主要从事嵌入式软件、硬件开发工作。电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering81图 1：车载 CAN 总线数据记录仪功能模块框图（1）支持多节点数据采集：可同时对 6 路不同CAN 网段数据帧进行采集及记录，6 路 CAN 总线均处于高负载率的情况下仍能可靠记录数据。（2）支持多协议转换传输：记录仪支持多种通讯协议，包括 CAN2.0、eMMC5.1、USB2.0 等，可实现CAN总线和其他通讯接口间的数据传输、解析、及存储。（3）采用主备电源设计：在特种车辆复杂的供配电环境下，可保证数据记录仪在主电源出现供电异常的情况下短时间续航工作，完成关键数据存储。1 总体方案车载 CAN 总线数据记录仪功能模块框图如图 1 所示，系统采用 FPGA+DSP 的处理器架构，以 DSP 芯片为主处理器，完成数据采集，协议转换，通讯控制及任务调度等工作，FPGA 通过异步总线接口与 DSP 进行数据交互，在FPGA外围扩展CAN收发器，eMMC存储器，USB 控制器、RTC 时钟芯片等来实现数据接收、存储、导出、实时时钟等各项功能需求。车载 CAN 总线数据记录仪按功能模块进行划分，可分为：（1）DSP 及外围电路；（2）FPGA 及外围电路；（3）通信模块电路；（4）存储模块电路；（5）电源管理电路；（6）实时时钟电路六部分。以下对各部分功能模块设计进行说明。2 硬件设计2.1 DSP及外围硬件电路设计DSP 及外围电路主要包含 DSP 及外围时钟、复位芯片等。DSP 处理器选用 TI 公司的 TMS320F28335，其工作主频最高150MHz，内部集成32位XINTF总线接口、PWM 控制模块、CAN 控制器、AD 采集模块等功能5。DSP 处 理 器 通 过 32 位 XINTF 异 步 总 线 接 口 与FPGA 之间进行数据交互，FPGA 将接收的 CAN 数据帧通过 XINTF 总线发送给 DSP，DSP 内部对接收的 CAN总线数据进行解析处理，并按特定格式重新封包后重新发送至 FPGA，通过 FPGA 将数据传输至 eMMC 进行存储，以实现数据存储功能。2.2 FPGA及外围硬件电路设计FPGA 及外围电路主要包含 FPGA 控制器，时钟电路、复位电路、配置电路等。FPGA 控制器选用了Xilinx 公司的 XC4VLX60，芯片内部等效逻辑资源可达600 万门左右，工作频率最高可达 400MHz6。电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering82FPGA 作为 DSP 处理器的通用扩展接口，内部实例化了多路 CAN 控制器 IP，用于实现 CAN 总线协议及数据收发，这样可有效减少处理器外围所需 CAN 控制器芯片数量，降低印制电路板尺寸及器件成本。同时，FPGA 内部实现了 eMMC、USB 等通用接口协议，以实现 CAN 总线数据的存储及导出功能。配置电路选取 Xilinx 公司的 XCF32P 型 PROM 存储器，存储器与 FPGA 芯片以 Select Map 模式进行连接，以减少 FPGA 上电加载的启动时长。2.3 通信模块硬件电路设计通讯模块电路主要由 CAN 总线通讯电路和 USB 通讯电路组成。本系统中 CAN 总线控制器由 FPGA 内部例化 IP 核实现，因此 CAN 总线通讯电路仅包括 CAN 总线驱动器及隔离保护电路，CAN 总线驱动电路选用 TJA1050驱动芯片，用于将 CAN 总线收发的 CMOS 电平信号转换为符合 CAN 协议标准的差分电平信号，隔离器选用图 2：CAN 通信电路原理图图 3：USB 控制器原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering83ADI 公司的高速磁隔离器芯片，用于 FPGA 控制器与总线信号电气隔离。CAN总线通讯电路原理图如图2所示。USB 通讯电路包括 USB 控制器、TVS 保护电路，USB 控制器选用 Cypress 公司的 CY7C68013A 芯片，该芯片为一款集成了 USB2.0 协议的微控制器，芯片内部可完成差错控制、串行数据编解码、位填充等 USB协议相关功能，可大幅减少 USB 固件开发工作量 7。USB2.0 协议支持最大 480Mb/s 的高速传输模式，因此设计选用 TI 公司的 TPD2S017 型 TVS 管，该二极管结电容仅为 0.02pF，可在保证 USB 端口热插拔的 ESD 防护同时，保证 USB 差分信号传输完整性，USB 控制器原理图如图 3 所示。1.4 存储模块硬件电路设计存储模块电路主要包括 eMMC 存储器及外围电路。eMMC(embedded Multi Media Card)是嵌入式多媒体卡的简称。eMMC 存储器的优势是在单个 BGA 封装内同时集成了 Flash 控制器芯片和大容量 NAND Flash 存储器颗粒，它采用了统一的 eMMC 接口标准，Flash 存储器的 ECC 纠错以及坏块管理工作都在 eMMC 芯片内部完成，软件工程师无需移植复杂的 Flash 存储器健康管理算法，使用 eMMC 存储器有助于缩短产品研发周期，降低研发成本。eMMC芯片选用Micron公司的MTFC64GAKAEEY-4M IT，该芯片可支持 eMMC 5.1 协议8，最大数据传输速率可达 280MB/s，存储模块电路原理图如图 4 所示。1.5 电源管理硬件电路设计电源管理电路包括电源转换电路和备用电源两部分，电源转换电路选用 DC/DC 和 LDO 的架构，电源24V 输入经滤波器到 24V 转 5V DC/DC 电路，5V 经肖特基二极管隔离后得到约 4.7V 的主节点电压，经 LDO和隔离 DC/DC 生成 DSP 和 FPGA 内核和外设所需的1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、隔 离 5V 电 压，LDO 芯 片选取 TI 的 TPS74401 芯片，该芯片支持软起动（Soft Start）功能，可通过调整芯片 SS 引脚外部电容值来实现控制各电压上电时序的目的，LDO 电源电路原理图如图 5 所示。为适应车辆复杂的供配电环境，记录仪选用两颗1F/9V 的超级电容并联在 4.7V 主节点电压两端，作为备用电源，可保证底盘蓄电池供电产生波动或完全切断后，记录仪仍可维持一定的续航时间，用来完成掉电前数据图 4：存储模块电路原理图图 5：LDO 电源电路原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering84存储流程。同时记录仪设计了专用的超级电容充放电电路9，来抑制上电时电流的瞬态过冲，避免前级 DC/DC产生过流保护关断，备用电源部分电路原理图如图 6 所示。图 6：备用电源部分电路原理图图 7：实时时钟模块电路原理图图 8：主程序流程图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering851.6 实时时钟模块硬件电路设计实时时钟（RTC）模块包括 RTC 芯片及外围供电、晶振电路组成。RTC 芯片选用 MAXIM 公司的 DS1337芯片，该芯片静态功耗仅为 2uA，采用锂电池供电可维持 5 年续航时间；FPGA 通过 I2C 接口访问 RTC 芯片内部寄存器，对芯片进行配置并获取时间信息。实时时钟模块电路如图 7 所示。2 软件设计2.1 DSP软件设计DSP 作为车载 CAN 总线数据记录仪的主控制器，需要处理 UART 接口、SPI 接口、XINTF 总线接口等各类接口的交互数据，同时执行USB接入检测、掉电检测、周期自检等功能。DSP 软件采取轮询加中断的软