引言

隨著汽車電子技術的發展，汽車電子化程度的與日俱增，車體內應用的ECU模塊數量的增加使得線束也隨之增加。另一方面，以網絡通訊為基礎的線控技術（X-by-wire）將在汽車上普遍應用。早期的CAN總線已經不能很好地解決眾多電子設備之間的通信，通信速度更高和通信更安全的車內總線成為汽車電子的迫切需求。由FlexRay聯盟制定的FlexRay協議標準成為一種理想的解決方案。它不僅是一個通信協議，它還包括特殊定義的高速發送和接收驅動器，以及各種元件的硬件和軟件接口標準。

汽車通訊系統的普及是汽車電子發展的一大方向。車載通訊系統是指裝載在汽車上的移動通訊系統。其特點是以車為載體，同時能夠隨車移動進行無線信號的傳輸。它不僅包括車載電話，還包括汽車狀態遠程監控、報警、娛樂等功能。根據汽車本身具有移動、分布、數量大的特點，數字蜂窩移動通訊系統是較為理想的選擇。隨著“三網融合”技術的發展，內嵌TCP/IP協議的GSM/GPRS模塊就可以實現基本的汽車通訊功能。

1 系統結構和原理

本系統作為FlexRay總線上的一個節點，接收總線上傳輸來的信號，完成相關的通訊任務。FlexRay節點有兩種結構，一種由微控制器、通訊控制器、總線控制器組成；一種由集成通訊控制器的微控制器、總線控制器組成。本系統采用后一種結構，系統結構圖如圖1所示。

總線上的數據幀都將到達總線上所有的總線收發器。每一個總線收發器在收到總線數據幀后，將不屬于自己地址的數據幀濾除，只將屬于自己的數據幀和廣播幀存儲到接收FIFO中。在工作狀態下，微控制器可以訪問總線收發器的接收模塊和發送器，通過對其操作實現對物理層數據的收發。微控制器接收到相關總線信號后將其分成若干種任務，按照優先級對這些任務進行處理，喚醒GSM/GPRS模塊來執行相應的通訊任務或者通過總線收發器將處理后的結果發送到其他節點。GSM/GPRS模塊具有語音通話、短信（SMS）/彩信（MMS）收發和數據業務功能。 GSM/GPRS模塊與微控制器、總線收發器的電源電壓不同，所以對電源進行單獨設計。

2 硬件電路設計

2.1 總線收發器和微控制器的連接

系統總線收發器選用恩智浦的TJA1080A.它是第一款成功通過FlexRay一致性測試并上市的FlexRay收發器。TJA1080A證明了FlexRay的強大性能與靈活便捷。它可提供廣泛的功能組合、卓越的EMC性能以及高效的ESD保護。TJA1080A總線收發器的內部結構如圖2所示。從圖2可以看出，TJA1080A總線收發器主要由狀態機、信號路由器、輸入/輸出管理模塊、收發模塊以及發送器等組成。

系統的控制器采用Freescale的MC9S12XF512嵌入式微控制器。它集成的單/雙通道FlexRayv2.1,每通道支持2.5、5、8和10Mb/s的數據速率；FlexRay時鐘，采用頻率從4MHz到40MHz不等的水晶振蕩器，使用PLL（鎖相環）實現成本和EMC的優化；小巧的體積非常適合于一些空間受到嚴格限制的應用；并且還集成了飛思卡爾的XGATE協處理器模塊。XGATE模塊的功能類似于主CPU的專用協處理器，其運行速度是主CPU的兩倍，并且沒有任何CPU處理開銷，能夠提高系統性能，最高運行性能達到100MIPS.從而在沒有提高成本的情況下提高了MCU的性能。

TJA1080A和MC9S12XF512的連接如圖3所示。

PH3和PH7是普通I/O口，作為TJA1080A的使能輸入，高電平有效。通過對MC9S12XF512的PH（0~7）、PJ（3~6）的端口復用與其FLexRay通信控制器相連。

2.2 GSM/GPRS的外圍電路設計

PTM101模塊是一款超小體積的GSM/GPRS模塊，大小只有38×29mm×3mm.PTM101內嵌TCP/IP協議和彩信MMS協議，支持標準的AT命令集和PUTAI增強命令集，可以提供豐富的語言和數據業務功能。

ANT為天線，為減少信號衰減，要求50 Ω的高頻阻抗控制。LED電路指示PTM101的工作狀態，當SIM卡異常或沒有注冊到網絡時，PTM的STATUS OUT引腳輸出高電平，LED燈滅；而正常時該引腳電平以1s高電平，2s低電平的頻率跳變，LED燈閃爍。UART口是PTM101其與外部處理器通訊交互的唯一通道，即是接收外部AT命令實現其功能的唯一通道。該UART是常用的3線制串口（UTXD、URXD、GND），由跳線選擇與微控制器MC9S12XF512或者通過RS232與PC機連接，進行相關數據的設置和傳輸。

2.3 電源模塊設計

PTM101的電源電壓為4V,MC9S12XF512在單機模式下為12V供電，整個系統選用12VDC,然后進行DC-DC轉換為符合PTM101需求的4VDC.

為保證PTM101的射頻性能優良，其供電電源要求較高。PTM101的待機電流只有2.2mA,但在附近基站信號很弱的時候，瞬時（約4.6ms）電流峰值可能會達到2A.因此要求電源電流峰值要能滿足2A,并且動態性能良好。因此選用LM2596-ADJ作為電源電壓轉換芯片。它電壓轉換效率高，并且其3A、150kHz的性能參數完全滿足要求，電源模塊電路圖如圖5所示。

VBAT的計算公式為：

其中：Vref為1.23V

3 總結

本文詳細介紹了基于FlexRay的通訊單元的設計。MC9S12XF512連接的總線控制器TJA1080A實現FlexRay總線的數據收發；使用PTM101與MC9S12XF512相連，可以進行語言通話，短信收發及相關數據的傳送。整個系統連接簡單，通過亮燈實驗驗證，本系統能夠完成基本的通訊功能，實用性強。