基于GD32F407的FlexRay&CAN综合分析仪设计

段鑫

（长沙硕博电机有限公司，湖南长沙，410221）

0 前言

随着车辆的智能化和集成化的发展，对控制和通信总线的要求越来越高，目前广泛使用的CAN总线已很难满足技术发展的需求。如总线最高速率只有1Mbps；数据传输是基于响应优先级和报文仲裁，数据延时具有不确定性；最高的有效传输效率只有50%等[2]。FlexRay总线在这种情况下应运而生，它采用时分基址的机制进行通信，具有实时性、可靠性、灵活性、高带宽、高容错性等优势，最高具有20Mbps的速率。具备冗余设计，多种拓扑连接方式，在节点布置上更加灵活[3]。

目前乘用车如奔驰、宝马、领克等多种国内外品牌的部分车型核心控制通信都升级为FlexRay总线[4]，但是由于零部件供应商的技术革新速度及成本问题，车辆上还存在CAN总线等要求不高设备，在进行车辆检修和诊断时，总线数据要分开处理解析，不能集成化解决。

1 分析仪设计方案

本分析仪具备一个USB模块，用于和电脑端上位机进行通信；一个CAN接口（终端电阻可以配置），用于和被测设备CAN总线进连接，一个FlexRay接口（终端电阻可以配置），用于和被测设备FlexRay总线连接；一个Flash模块，用于存储CAN和FlexRay配置信息。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

电脑端上位机软件通过配置软件配置好CAN和FlexRay总线网络信息。分别启动总线后，分析仪的CAN和FlexRay接口将被测总线上的数据接收到主控芯片，主控芯片将数据在通过FIFO的形式，通过USB接口上传到电脑端上位机软件，电脑端上位机软件接收到上传的数据后，分别进行分析处理。

2 硬件设计

2.1 主控芯片选择

FlexRay的最高速率达到20Mpbs，数据量一帧最大有254字节，而且还需要对CAN数据进行分析和USB数据的上传，本分析仪需要一颗处理能力强的主控芯片，本分析仪采用兆易创新公司的GD32F407VGT6芯片，此芯片主频为168MHz，一路USB主/从外设，2路CAN总线，3路SPI总线，内核为ARM Cortex-M4，具有很强的数据处理能力。

2.2 电源系统设计

本分析仪采用电脑USB口进行供电，供电电源为DC5V，最大电流500mA。为防止烧毁电脑USB口，在电源电路上需设计一个自恢复保险。选用A250-200，额定电流200mA，动作电流400mA，可有效保护电脑USB端口。

为保证系统的稳定性，外部总线接口电源和内部电源隔离。系统内部需要用到的电源有DC3.3V，DC5V，隔离总线需要用到的电源有DC5V，DC12V。电源原理图如图2所示。

图2 电源原理图

2.3 CAN电路设计

GD32F407芯片自带CAN控制器，外部只需扩展CAN物理层处理电路。CAN接口是对外的，为提高抗干扰能力，此接口需做隔离处理，隔离芯片采用纳芯微电子的容耦技术隔离芯片NSi8021，该芯片的数据速率：10Mbps，隔离电压：3kVrms；共模抑制比：100kV/us。

CAN物理层芯片选用芯力特的SIT82C251，此芯片最高支持1Mbps波特率，完全兼容“ISO 11898-24 V”标准，至少允许 110 个节点连接到总线，具有高抗电磁干扰能力。可应用于卡车、公 交、小汽车、工业控制等领域。

CAN隔离及物理层原理图如图3所示。

图3 CAN隔离及物理层原理图

2.4 FlexRay电路设计

FlexRay控制器采用恩智浦MFR4310芯片，此芯片支持可变比特率：2.5、5、8和10 Mbps、128个可配置消息缓冲区、两个独立的接收FIFO，可分别对应2个独立的收发通道。GD32F407VGT6芯片通过EXMC并行接口和MFR4310进行数据交互，当有事件产生时，通过中断的方式通知主控芯片进行处理。当A、B两通道复用时，FlexRay总线的速率最大20Mpbs。FlexRay控制器电路如图4所示。

图4 FlexRay控制器电路

为增加硬件的可靠性，FlexRay总线采用信号隔离设计，为减少波形畸变和信号延时，采用数据速率为150Mpbs的纳芯微电子数字隔离芯片NSI8142做隔离。该芯片具有4通道：两路输入，两路输出。两路输入用于接收和接收使能信号，两路输出用于发送和发送使能信号，单片芯片刚好满足一路FlexRay电路隔离需求。隔离电路如图5所示。

图5 FlexRay隔离电路图

FlexRay物理层芯片采用恩智浦的TJA1080A芯片，总线对外接口的终端电阻通过开关选择使用，物理层驱动电路如图6所示。

图6 FlexRay物理层电路图

2.5 USB接口电路设计

GD32F407VGT6芯片具有USB主/从设备控制器，为防止浪涌电压冲击，USB接口需要增加保护芯片，保护芯片采用台舟电子的PRTR5V0U2X，USB电路如图7所示。

图7 测试用户界面

图7 USB接口电路图

2.6 Flash电路设计

Flash电路用于存储总线通信配置参数，采用兆易创新的串行Flash芯片GD25Q32CSIGR，此芯片具有32Mbit存储资源，每页具有256字节。该芯片通过SPI接口和主控芯片连接，电路图如图8所示。

图8 串行Flash电路图

3 软件设计

软件分为两部分：下位机软件，运行在分析仪硬件上；上位机软件，运行在电脑端。

3.1 下位机软件设计

下位机软件由CAN总线驱动、CAN数 据FIFO结 构、FlexRay总线驱动、FlexRay数据FIFO结构、USB从设备驱动和数据结构、Flash驱动等。软件框图如图9所示。

图9 软件框图

电脑端上位机软件通过USB接口将总线的配置数据发送下来，并存储到Flash中。在上电时，分析仪将从Flash中直接读取设置的参数进行网络的初始化，避免重复的网络参数设置（FlexRay网络参数多，重复设置麻烦）。

CAN总线根据设置的波特率、ID滤波方式，工作模式（只接收，只发送，正常接收），进行CAN控制器的初始化，采用64级FIFO模式，将数据进行先入先出的管理，能有效防止数据被覆盖。

FlexRay总线需要设置正确的网络参数才能进行通信。网络参数包含全局网络参数和局部网络参数，例如：周期、静态时隙个数、静态时槽长度、静态时隙数据个数、动态时隙个数、动态时槽长度、动态时隙数据个数、网络向量长度等等。

FlexRay通过两个独立的MFR4310内部接收FIFO分别接收通道A和通道B中的数据，通过中断的方式通知主控制芯片提取数据，主控芯片接收到FIFO中断时，将数据从并口取出，并存入到主控芯片内部建立的256级FIFO中，FIFO数据以模拟中断的形式传输到电脑端上位机软件。

当需要模拟节点发送时，FlexRay发送时隙配置到128个消息邮箱中，通过映射对应关系，将需要发送的时隙数据发送到FlexRay总线中。

3.2 上位机软件设计

分析仪电脑端上位机软件主界面如图10所示。

图10 电脑端上位机软件主界面

参数设置项的功能：配置CAN和FlexRay总线网络参数；数据显示项的功能：接收两个总线的数据并显示，并按需要记录接收到的数据；数据发送项的功能：配置总线发送数据，并可设置发送方式、次数等；CAN数据波形显示项的功能：从CAN总线接收到数据选择出关键数据以波形的形式显示；FlexRay数据波形显示项的功能：从FlexRay总线接收到数据选择出关键数据以波形的形式显示；历史数据分析项的功能为：将保存的数据打开进行数据回放分析；固件升级项的功能：对分析仪进行软件更新；帮助项的功能：软件各个界面下每个组件的功能介绍，帮助用户快速使用软件。

4 结语

本设计完成了一种FlexRay和CAN综合分析仪，大部分元器件采用国产化设计，相对国外的CANoe设备而言，具有非常大的经济实用价值，国内暂时还没有FlexRay专用分析仪产品面世。而且这款分析仪可同时对FlexRay和CAN总线进行数据分析，在具有FlexRay总线的车辆设计、调试、检修等过程中使用更加便捷。

本设计中上位机软件功能还不够完善，只能完成初步数据分析功能，后续还需增加专用协议解析、节点模拟等功能，界面还需进行美化。