（测试计量技术及仪器专业论文）基于can总线和sopc的汽车仪表系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随羞国内经济水平的提高，乘用车在家庭中褥到大量普及和使用，国内汽 车制造业也得到了快速的发展。汽车电子在汽车制造业中占有十分重要的地位， 而电子控制单元( e c u ) 是汽车电子核心器件，实现对发动机、车身、底盘的控制 并具有通信功能。而且随着车载导航，车载通信及车载娱乐的发展，对e c u 的 要求也越来越赢。 目f j i 大部分国内汽车行业e c u 采用8 位单片机加外围器件来实现，集成度 低，体积大，可靠性不强，重要的是e c u 的芯片大部分需要依赖进口，不仅价 格昂贵，丽且不具有自主知识产权。因此设计具有自主知识产权的控制器对我 国汽车工业及其它相关产业的发展具有重要意义。 本文工作来源于广卅i 汽车集团股份有限公司的十一五计划，即生产出具有 自主知谈产权的自主品牌乘用车。那么该款乘用车在车身、底盘，包括汽车电 子方面都需要自主的设计、创新翻研发。而汽车电子中的控制单元成了汽车电 子设计的重中之重。 本文依据设计要求，采用最新的s o p c 技术提出设计方案。用硬件描述语 言v h d l 设计了基于c a n 总线的汽车电子仪表板孛带显示控制单元，该电予控 制单元可以实现对车辆包括安全、季亍驶参数、车载导航、车载娱乐等各种信息 的显示和控制，且具有c a n 总线通信功能。该仪表板中带显示控制单元具有使 用方便、处理速度快、集成度高、可靠性好、价格低廉等优点。 关键词：汽车电子控制单元，s o p c ，v h d l ，c a n 总线 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l ye c o n o m i c a lg r o w t h t h ea u t o m o b i l ep o p u l a r i z a t i o na n dw i d e l y u s i n gi nf a m i l i e s ，t h ea u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gi sd e v e l o p i n gq u i c k l y i no u rc o u n t r y ； t h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c sh a so c c u p i e dv e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef i e l do ft h e a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g 。e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c l di st h ec o r ec o m p o n e n ti n a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c s ；i ta c t sap a r ti ns o m ea s p e c t ss u c ha st h ee n g i n e ，b o d y w o r k , c h a s s i s c o n t r o l l i n gs y s t e m s a n dt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b u tw i t h t h e d e v e l o p m e n to fg p s ，v e h i c l ec o m m u n i c a t i o na n de n t e r t a i n m e n t t h ec a p a b i l i t yo f e c un e e dm o r ep o w e r f u l a tp r e s e n t ，m o s to ft h ee c ui sd e s i g n su s i n gs i n g l ec h i pw i t hp e r i p h e r a lc i r c u i t ， i th a ss o m ed e f e c t ss u c ha sl o wi n t e g r a t i o nr a t e ，b u l k y , b a dd e p e n d a b i l i t y ；m o s to f e c u c h i pd e p e n d so ni m p o r t ，i ti ss oc o s t l i n e s st h a th a s n oi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h e r e f o r ed e s i g n sh a st h ep r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sc o n t r o l l e rh a st h e v i t a ls i g n i f i c a n c et oo u rc o u n t r ya u t o m o b i l ei n d u s t r ya n do t h e rc o r r e l a t i o ni n d u s t r y d e v e l o p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nw o r k so r i g i n a t e sf r o mg a g c se l e v e n t hf i v e y e a rp l a n t h i s p l a ni sp r o d u c et h ea u t o m o b i l eo fi n d e p e n d e n tb r a n dw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l a n dp r o p e r t yr i g h t t h e nt h i sa u t o m o b i l e sb o d y , c h a s s i sa n de l e c t r o n i ca l ln e e d i n d e p e n d e n td e s i g n ，i n n o v a t i o na n dd e v e l o p t h i sd i s s e r t a t i o na c c o r d i n g8 st h ed e s i g nr e q u e s t ，u s e st h en e w e s ts o p c t e c h n o l o g yt op r o p o s e t h ed e s i g np r o p o s a l 。d e s i g n e do fa u t o m o b i l ei n s t r u m e n tb a s e d o nc a n ，b u sw i t ht h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g eo fv h d l t h i sa u t o m o b i l e i n s t r u m e n tc a na c c o m p l i s ht h es y s t e mo fv e h i c l e si n c l u d i n gt h es e c u r i t y , t h et r a v e l l i n g p a r a m e t e r , t h eg p s ，t h ev e h i c l ee n t e r t a i n m e n ta n do t h e rk i n d so fi n f o r m a t i o nw i t h d e m o n s t r a t i o na n dc o n t r 0 1 a l s oh a sf u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o nb a s e do nc a n - b u s i th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha se a s i n gt ou s e ，f a s tp r o e e s s i n gs p e e d ，h i g h i n t e g r a t i o n ，g o o dd e p e n da b i l i t ya n dt h el o wp r i c ea t e - k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ee c u , s o p c ，v h d l ，c a n b u s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章前言 1 1 汽车电子控制单元( e o u ) 的发展现状 现代社会对汽车各方面的要求不断提高，在汽车设计中运用电子控制技术 是满足这些要求的最好方法，由于汽车排放、节能、安全和舒适性等使用性能 不断提高，使得汽车电子控制程度也越来越离。汽车电子控制装置必须迅速、 准确地处理各种信息，并通过电子仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽 车的运行状态，妥善处理各种情况。 由于电子控制、计算机、通信等技术的迅猛发展，使汽车电子产品技术和 产品的开发目耨月异。汽车的电子化程度怒衡量一个国家汽车工业发展水平的 重要标志。汽车电子可分为发动机电子、底盘电子、车身电子、信息通信与娱 乐系统四大类。从汽车技术的发展现状看，汽车电子技术是支撑现代汽车发展 的基磁技术之一，已不是简单地对汽车的攀个零部件进行电子控制，丽是汽车 进行优化综合控制。因此智能化、综合他、网络化控制是汽车电子控制的重要 发展方向【1 1 。 电子技术已在车辆发动机控制、底盘控制，故障诊断以及音响、导航等各 个方面得到广泛应用，显著提高了车辆的整体性能。因此近些年来，电子控制 单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t e c 聊格外受到重视l z j 。 所谓电子控制单元，实际上就是一部单片机，有自己的处理器、i o 设备和 简单的存储器。电子控制单元正向系统综合化、网络化、高度集成化方向发展。 采用计算机网络技术，通过数据总线将各个e c u 连接在一起，产生综合电子控 制系统，有些高档的轿车，往往拥有几十个甚至上百个e c u ，这些e c u 通过数 字总线( c a n 、f l e x r a y 、l i n 等) 结构连接在一起，形成一个控制系统。电子控 制单元在汽车上的广泛应用，使得汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性、 可靠性都得到了显著的改善和提高1 3 j 。 1 2 s o p o 在汽车电子控制单元中的应用 囡内目前汽车的电子控制单元主要是基于8 位单片机加外网的器件开发。8 位单片机处理速度有限，功能单一。尤其是它的软件和硬件缺少丰寓的资源支 武汉理工大学硕士学位论文 持，因此所开发的系统往往操作界面不友好，系统稳定性达不到实用要求。重 要的是e c u 芯片需要进口，没有自己的知识产权而且价格昂贵，极大的限制了 国内自主品牌汽车的发展。可见提高系统的设计和开发水平的关键在于选择性 能优异的微处理器。 随着e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ，电子设计自动化技术的日渐成熟， 当今电子系统的设计己不再走采用中小规模的通用i c 进行p c b 板级的设计和调 试那条老路，而是转向大规模f p g a 或a s i c 为物理载体的系统芯片设计。应用 f p g a 等可编程逻辑器件实践上述技术路线的开发成果被称为s o p c ( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ) 。通过设计和最终流片研制专用集成电路( a s i c ) 的成果被 称为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 s o p c 技术基于s o c 发展起来。它将系统设计所需要的部件集成到一片 f p g a 器件上，各个部件一般都以p 核的形式构建成一个可编程的片上系统。 f p g a 能完成任何数字器件的功能，使用f p g a 来开发数字电路，可以大大 缩短设计时间，减少p c b 面积，提高系统的可靠性。但是在复杂算法的实现上， f p g a 却远没有3 2 位赳s c 处理器灵活方便，在设计具有复杂算法和控制逻辑 的系统时，往往需要r i s c 和f p g a 结合使用【4 】。 在汽车电子控制单元，设计者也可以根据汽车电子的不同需要灵活配置自 己的处理器，将8 位m c u 软核或者3 2 位r i s c 软核配置其中，满足包括控制、 娱乐、导航等各种功能，而且因为该f p g a 为公司推出并非第三方产品，故用 户通常无需支付知识产权费用。 1 3 c a n 总线在汽车中的应用 汽车电子装置发展的一个重要趋势，是大量使用单片微型计算机来改善汽 车的性能。目前，平均每辆车上汽车电子装置的费用约占整车成本的2 0 ，而 且越是高档的轿车电子化程度越高。有的豪华轿车己经使用了4 8 个单片微型计 算机。汽车电子控制装置的增多，使得连接汽车电子控制装置之问导线也变得 更为复杂。仅以一个车速信号为例，车速传感器输出的车速信号，要提供给电 子仪表、发动机控制、巡航控制、安全气囊、自动悬架、动力转向等电子装置 使用，这些装嚣分布在车体的各个部位，如果采用传统的点到点的布线方法， 势必导致车身布线越来越长，越来越复杂，运行可靠性低、故障维修难度大。 2 武汉理工大学硕士学位论文 因此，解决现代汽车中众多控制装置和电子仪表间数据交换问题，车载电子装 置问的数据通信交得越来越为重要，汽车仪表技术网络化已经成为汽车工业发 展的必然趋势1 5 , 6 。 c a n 总线是一种现场总线，通讯线可以是一根双绞线、同轴电缆或光导纤 维，将各种汽车电子装置连接成为一个网络。它可以有效地支持分布式控制或 实时控制的串行通信网络。以分布式控制系统为基础构造的汽车车载电子网络 系统，由于c a n 总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便、多主站点、通讯 协议简单和性能价格比高等突出的优点。如今，c a n 总线现已成为汽车电子控 制装置之间通信的标准总线，在汽车分布式控制系统中得到了广泛的应用1 7 , 8 。 为使不囊厂家生产的零部件能在同辆汽车中协调工作，1 9 9 3 年l 差月，l s o 在充分考虑工业现场环境的背景下，正式颁布了c a n 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ：道 路车辆的高速控制器局域网数字信息交换标准) ，为控制器局域网标准化、规范 化推广铺平了道路1 9 , 1 歌。 在仪表中的c a n 应用，主要使用低速通讯接收汽车信息数据，可以从其他 e c u 接收实时的车速、转速、剩余油量以及发动机水温信号进行显示；另外也 可以接收如a b s 、油压等报警信息提示驾驶员。c a n 在汽车中另外一个重要应 用是诊断( d i a g n o s i s ) ，有专门利用c a n 通讯的诊断仪提供给维修厂，汽车各电 子控制部分的诊断信息，也可以通过仪表显示【】。 c a n 总线是一种极适于汽车环境的汽车局域网，在现代汽车设计中，c a n 已经成为了必须采用的装置，奔驰、大众，本田汽车都将c a n 总线作为控制器 联网的手段。在国内汽车工业中，一些譬| 迸车型，如本邂“雅阁”、丰圈“凯美 瑞”等中档车中c a n 总线技术得到了广泛的应用。但自主品牌汽车产晶总线技 术的应用目前基本上处于概念设计和原理样机试验阶段。由于我国中高级车以 欧洲和r 本车型为主，因此c a n 惑线技术也将是国产车重要的弓l 迸项目。 1 4 课题的来源和研究目的 大力提倡自主创薪设计能力，全面提升其自身竞争力被作为我国8 6 3 计划 汽车产业的一个重点资助项躁。广州汽车集团作为国内汽车行业的骨干企业， 设计出具有自主知识产权的汽车成为了其重要目标。不仅有利于国产汽车的发 展，也有利于带动汽车周边行业的发展。 3 武汉理工大学硕士学付论文 自功卒渊，i 乜f 中 控制末统控制m r 安仝8 t 囊 控剖m 兀 转向辅助 挣制啦儿 誊袅豢貉线挈篱蠢貅兕舞霸幂翌蘑麟譬翌 煳张器蔫勰元罐熊党联鬟越。 图1 1广汽集川自主研制的乘用车的电子控制单元 右而乍门 挖制- p 元 驶妯删车 撺蹦雌兀 4 ，裁时绻 摊制单儿 上图为广卅l 汽车集团的“十一五”计划，即借鉴和吸收国外先进的汽车技 术标准，结合当前的现状生产出具有自主知识产权的自主品牌乘用车。该乘用 车将于2 0 1 0 年广卅i 亚运会的投产，该车定位于中高端，而电子控制单元是汽车 电子中的核心器件，实现对发动机、车身、底盘、仪表的控制并具有通信功能， 所以电子控制单元关系到控制系统甚至整个车的稳定性和安全性。 目前国内电子控制单元部分依赖进口芯片或者应用单片机来实现。所以设 计出简单、稳定性好、集成度高的电子控制单元不仅可以减少汽车的设计成本、 增强稳定性、减少设计面积，更有利于自主品牌汽车工业的发展。 该乘用车一共装有1 5 个电子控制单元。包括收音机无线导航设备控制单 元、a b s 控制单元、自动空调电子空调控制系统控制单元、安全气囊控制单元、 转向辅助控制单元、自动变速器控制单元、发动机控制单元、舒适系统中央控 制单元、仪表板中带显示控制单元、车载网络控制单元、驾驶员侧车门控制单 元、右后车门控制单元、活动天窗调节控制单元、左后车门控制单元、前座乘 客席侧车门控制单元。 课题的设计以仪表板中带显示控制单元为重点，把目前先进的网路通讯技 武汉理工大学硕士学位论文 术c a n 总线和s o p c 技术弓| 入到汽车仪表中，解决汽车仪表表盘数据传输的问 题。系统通过传感器对发动机的冷却水温、油量、转速和车速等信号进行采集， 再用c a n 总线传输其信号，并且接收汽车上其他c a n 节点发出的信号，把相 关信息显示予仪表盘上。使安全性、可靠性、舒适性和功麓扩展得到极大的提 高，易维护、易形成模块化。 该功能将不局限于此，在该模块化可方便的增添一些其他功能，比如带e c u 的汽车仪表智能化：能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、利动装置、安全 气囊、安全带等，亦可用予g p s 导航系统，通讯系统及娱乐系统。 1 5 本论文的主要研究内容 ( 1 ) s o p c 技术的特点及在汽车仪表控制设计中的论证； ( 2 ) c a n 总线技术特点分析及通信机理研究； ( 3 ) 依据自顶而下的设计方案，基于总线规范，对c a n 总线控制器进行模 块划分，完成整体结构和各个组成模块的r t l 设计； ( 4 )以该车辆主要技术指标和性能要求为基础，对仪表显示各个部分模块 进行设计，用v h d l 语言进行编写； 5 ) 总结并展望了s o p c 技术在汽车其健电子控制单元的使用。 5 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章基于f p g a 的s o c 设计要求 2 1 f p g a 的结构特点 f p g a ( f i e l dp r o 鲈a m m a b l eg a t ea r r a y ) 鼓p 现场可编程门阵列，一般由三种可 编程单元和一个用于存放编程数据的静态存储器( s 洲) 组成，如图2 1 所示。 这三种可编程单元分别是：可配置逻辑模块( c l b ，c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、 输入输出模块( 1 0 b ，i ob l o c k ) 和互连资源( 双，i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e ) ，它们的 工作状态全部由s r a m 中的编程数据设定。 f p g a 中除了个别几个引脚外，大部分引脚都是与可编程i o b 直接相连的， 可根据需要，通过配置1 0 b ，将管脚定义成输入端曰、输躐端口、双| 麓i o 端蹬 或带寄存器的i o 端口。每个c l b 中都是由组合逻辑电路和存储电路( 触发器) 构成，可根据需要将其配置成组合逻辑电路或时序逻辑电路。 静态存储器的存储单元有很强的抗干扰能力和很高的可靠性，但掉电后存 储器中的数据将丢失，因而每次上电以后必须重新给s r a m 加载编糕数据，加 载过程是在f p g a 内部的一个时序电路的控制下自动进行的，这些数据通常是 存放在片外的e p r o m 中【1 2 】。 r tr l o b 一 图2 1f p g a 结构图 6 武汉理工大学硕士学位论文 隧着f p g a 的不断发震，自身功能的不断完善和计算机辅动设计技术的提 高，在现代电子系统设计领域中的电子设计自动化( e d a ) 便应运而生了，而电子 设计自动化的关键技术之一就是采用硬件描述语言( h d l ) 来设计数字硬件系统。 这样，传统的数字硬件电路设计模式，就将被人们慢慢地淘汰，而可编程逻辑 器件的使用将给电子电路的设计带来新的活力f l 。 在本文中使用的是v h d l 语言，最早是由美国国防部为描述电子电路所开 发的一种语言，它可以很方便地描述一个系统的功能，也可以详细描述一个器 件的状态。 e d a 自上而下的设计方法具有如下的特点： ( 1 ) 设计人员可自行设计所需的功能模块，使电路设计更趋合理，其体积功 耗也可大为缩减； ( 2 ) 用系统早期仿真可以发现设计中存在的问题，可大大缩短设计周期，降 低费用： ( 3 ) 降低了硬件电路设计难度，避免了很多繁杂的工作； ( 要设计文件是雳h d l 语言编写的源文件，资料量小，便于保存，可继 承性好且阅读方便。 从上面的对比可以看出，采用f p g a 设计硬件电路存在极大的优越性，省 时、省力、节约成本、灵活性好且可移植性好。 2 2 s o p c 的特点、主要设计技术及实现方法 2 2 ，_ ls o p c 的特点 s o p c 技术基于s o c 发展起来。随着微电子工业的发展，作为可编程逻辑 器件之一的f p g a 褥到了越来越广泛的应用，同时，其工艺技术也不断提高。 s o p c 技术正是在可编程逻辑器件的基础上发展起来的一种灵活、高效的嵌入式 系统解决方案。它将处理器、存储器、i o1 3 等系统设计所需要的部件集成到一 片f p g a 器件上，各个部件一般都以狃核的形式构建成个可编程的片上系统， 它具有的灵活性、低成本等特点。 f p g a 相对于a s i c 具有成本优势，而且已经发展成为系统元件，其特点是 设计风险和设计成本低，灵活可编程，f p g a 的可编程特性很好地弥补了s o c 7 武汉理工大学硕士学位论文 设计的不足。s o p c 结合了s o c 和f p g a 各自的优点，冀基本特征是f 秘】： ( 1 ) 以具有系统性能的f p g a 为平台，至少包含一个以上的嵌入式处理器核 ( 软核或硬核) ； ( 2 ) 具有小容量的片内高速r a m 资源； ( 3 ) 丰富的婵核资源可供灵活选择； ( 4 ) 具有足够多的片上可编程逻辑资源； ( 5 ) 具有处理器调试接口和f p g a 编程接口； ( 6 可能还包含部分可编程模拟电路； ( 7 ) 单芯片、低功耗、微封装。 2 。2 2 主要设计技术 片上系统的主要设计技术可简单地归纳为三点：软硬件协同设计技术，口 核资源复用技术和超深亚微米集成电路设计技术。超深亚微米集成电路设计技 术是片上系统的物理设计技术，在硬核的开发中，物理设计是硬核设计成败酶 关键。 由于本文是在f p g a 上进行s o c 的研究和开发，主要是基于软核的开发和 设计，所以下面重点对软硬件系统设计技术和p 核资源的复用技术进行讨论。 ( 1 ) 软硬件协同设计 采用软硬件协同设计的好处是可以使软件设计者在硬件开发之初就接触到 硬件，从而能更好地设计硬件驱动、应用程序、操作系统等软件，同时也可以 使硬件设计者尽早接触软件，减少了设计中的盲目性，缩短设计迭代周期。 ( 2 ) 口核资源复用 撩核是s o p c 设计的基础，也是s o p c 设计成败的关键，为了能够最大程 度减小设计中的重复劳动，保证s o p c 开发成功，我们毖须采用前人成功的设 计经验和设计资料即复用口资源。p 资源复用包含两个方面的内容：一是可重 用腰核的开发；二是可重用糟核的集成。一个真正能重用的d 核一般具有以 下几个特点l 搭】： 具有可配置性，能够满足不同的设计需求； 具有标准的接口； 遵守某种没计规则，能确保p 时序收敛，功能正确； 8 武汉理工大学硕士学位论文 交付的数据、资料完整，方便芯片集成。 2 2 3s o p c 实现方法 s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，它的实现方法般有两种：种是 基于硬核的实现；另一种是基于软核的实现。 基于硬核的实现就是在f p g a 中预先植入嵌入式微处理器核。为了减小整 个系统的体积，功耗，提高系统的可靠性，霹以将p o w e r p c 4 0 5 ，a r m 或其它知 识产权核，以硬核的方式植入到f p g a 中，利用f p g a 的可编程逻辑资源来构 造嵌入式处理器的接口功能模块，进而构成片内系统。这种实现方法最大优点 是速度快，性能优，硬核本身不会占用f p g a 的逻辑资源，但是基于硬核的f p g a 解决方案也存在以下几个方面的不足f 1 6 】： ( 1 ) 由于此类硬核多是来囱第三方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知 识产权费用，从丽会导致f p g a 器件的价格相对偏高。 ( 2 ) 由予硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构， 如总线规模、接口方式，乃至指令形式，更不可能将由f p g a 逻辑资源构成的 功能模块以指令的形式加入指令系统，以可执行指令的形式实现某种功能的硬 件加速，以适应更多昀电路设计需求。 ( 3 ) 无法在资源允许的情况下，根据实际设计需求在同一f p g a 中使用任意 多个处理器核。 ( 4 无法裁减处理器硬件瓷源以降低f p g a 成本。 ( 5 ) 只能在特定的f p g a 芯片系列中使用，因为不管是哪家半导体器件厂商， 并不是所有的芯片系列都植入了硬核。 采用软核的实现方式则能很好弥补硬核的不足，因为软核一般都是由f p g a 厂商自己开发的，灵活可编程怒软孩的最大特点，僵软核性能没硬核高，速度 也没硬核快。目前，最具代表性的基于软核的f p g a 解决方案是x i l i n x 公司的 m i c r o b l a z e 软核和a l t e r a 公司的n i o s 软核。 2 。3 嵌入式处理器lp 核的结构特点 嵌入式处理器撑核是s o p c 系统的核心部件，处理器p 核性能的好坏将直 9 武汉理工大学硕士学位论文 接决定整梳系统性能的高低，本节只针对该款乘用车所采用的处理器p 核( n i o s 软核) 的结构特点进行介绍，并对其性能做出分析。 n i o s 是a l t e r a 公司最先开发出来的可嵌入到f p g a 中的微处理器软核，时 钟频率最高可达7 5 m h z ，具有2 0 0 d m i p s 的执行速度，指令集中大部分为单周 期指令，目前最高版本是3 0 ，其内部组织结构如图所示，主要特征有： 采用5 级流水技术、单指令流的r i s c 处理器； 3 1 6 位哈佛结构，独立的指令和数据存储器端口； 大容量寄存器堆，最大可实现5 1 2 个内部通用寄存器，编译程序运用这些 内部寄存器可以加快子程序的调用和局部变量的存取； 用户可扩展性：支持用户囱定义逻辑，并且可将自定义逻辑作为用户定制 指令加入n i o s 的算术逻辑单元中，实现硬件加速，这是n i o s 最具特色之处，它 支持5 条用户定制指令； 支持三种类型的中断：外部硬件中断、内部异常中断和软件中断，具有6 4 个中断级别。 匦酬 d q 3 2 i n s t r u c t i o n d e c o d e r aa p r o g r a m c o u n t e ri q lj | c l o c k li ” | w a i t 匕j 7 |l 1 l e n a b l e o p e r a n d jl - 训 u f e t c h r i l , - l i i r q ) 一 i n t e r r u p t + i r q 辫 c o n t r o l 6_ | 塑照 八4 图n i o s 的内部结构 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章c a n 总线单元的设计 3 1 控制局域网c a n 3 1 1 c a n 总线的介绍 控制器局部网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，属于现场总线的范畴。c a n 总线具有很强的纠错能力，可在抗高噪声干扰的环境中使蹋。 其他底盘i 模块 a b s 模块| l 传动模块| l 安全气囊 匿一l 巨 模块 ；l x 4 1 w h s c a n 匕黜匿i覃晖 一1 一一 一 厂一丁 m s c a nii 。，。 。l 。 d l c d o s t d 2 bl 网关l | l 电子导航音响视频 d v d网关 r f ( 蓝牙) l i n l i n 图3 - 1 汽车网络的结构 如图3 1 所示，为汽车网络解决方案，包括：控制区域网c a n ，主要应用 于电子控制单元，如发动机、a b s 、安全气囊等；局部互联协议l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c tp o r t o c 0 1 ) ，主要应用于低速的电子控制单元，如门窗、车灯等。正在 发展中的汽车网络技术还有高速容错网络协议f l e x r a y ，时间触发网络协议 t t p ( t i m e 。t r i g g e r e dp r o t o c 0 1 ) ，用于汽车多媒体和导航的m o s t ，以及与计算机 网络兼容的蓝牙、无线局域网等无线网络技术。目前设计中的网络结构，采用 两条c a n 网络，条用于动力系统的高速c a n ；另一条应用于车身系统的低速 c a n 。高速c a n 主要连接对象是发动枕控制器、变速箱、a b s 控制器、助力转 武汉理_ i = 大学硕士学位论文 向、安全气囊控制器等。低速c a n 主要连接和控制的汽车肉外部照明、灯光信 号、空调、组合仪表等其他低速电子控制单元。由于c a n 总线的实现成本较高， 在些对速度要求不高车身电子单元，如传感器输入、车窗控制、门锁控制、 座榜控制等，可采用成本相对较低的l i n 总线来替代。 3 1 2c a n 总线控制器的研究状况 由于国内汽车产业刚西l | 起步，同时汽举电子市场还没有形成。因褥国内芯 片设计企业对汽车电子的关注也相对较少。对c a n 总线芯片的设计在国内未见 报道。国内有关c a n 的应用基本都是采用国外的芯片，而没有自主知识产权的 c a n 控制器硬件实现。 在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至荚重要、不 可缺少的部分，也是协议中最复杂的部分。c a n 控制器就是扮演这个角色，对 外它提供了与微控制器的物理线路接口。避过对它的编程，微控制器可以设计 它的工作方式，控制它的工俸状态，把应用层建立在它的基础之上。 c a n 芯片按结构形式可分为嵌入式、外挂式和单片式三种。我们用s o p c 来做属于外挂式。 外挂式只包含c a n 控制器的芯片，它胃以与多种类型的单片枫、微型计算 机的各类标准总线进行接口组合，使用上更为灵活，软件的重用性更好，如图 3 ，2 所示。 c a n 控制器 微控制器 协议控制 数据缓存c a n 收发器 上层过滤 数据读写 c a n h 串行接口 收发信号 高层协议 错误控制 应用 棒篱控制 c a n 。l c p u 接e l 数据过滤 图3 2 外挂式c a n 芯片节点模型示意图 1 2 武汉理 二大学硕士学位论文 3 。 ，3c a n 总线的通讯协议 3 1 3 1c a n 协议标准 c a n 协议包括数据链路层和物理层，它有两个版本的协议规范：c a n l 。0 和c a n 2 0 。其中的c a n 2 0 标准又分成两个部分：p a r t a 和p a r t b t l 7 】。 c a n l 。0 和c a n 2 。a 中规定，帧标识必须是l l 位二进制数；c a n 2 。0 b 中规 定，帧标识既可以是l l 位二进制数( 称莠标准标识) ，也爵以是2 9 位二进制数( 称 为扩展标识) 。相应的具有扩展标识的帧称为“扩展帧”。c a n 的物理层和数据 链路层一般在c a n 控制器中实现。c m q 控制器一般要求与c a n 2 ，0 标准兼容， 它要么是c a n 2 0 b 被动的( 需要忽略扩展帧) ，要么是e a n 2 。0 b 主动的( 此时允 许收发扩展帧) f l 引。c a n 控制器收发两类帧的兼容性规则如下： ( 1 ) c a n 2 0 b 主动控制器( a c t i v ec o n t r o l l e r ) 可以收发两类帧； ( 2 ) c a n 2 0 b 被动控制器( p a s s i v ec o n t r o l l e r ) 可以收发标准帧，忽略扩展帧； ( 3 ) c a n l 。0 在遇到扩展帧时，产生错误。 注：在只有c a n1 0 控制器的网络上，将不允许扩展帧传送。 c a n 技术规范2 0 a 和2 0 b 以及国际标准i s 0 1 1 8 9 8 是设计c a n 应用系统 的基本依据，也是应用设诗的基本规范。 3 1 3 2c a n 协议分层结构 c a n 总线协议的模型遵从i s o o s i ( o p e ms y s t e mi n t e r c o n n e c t r e f e r e n c e m o d e l ) 模型。 在c a n 总线构成的系统中，应用层实现用户要求的控制策略和系统，定义 了结构、响应及掇文的意义，应用层要根据c 斌系统应用场合的不同焉有所变 化，用户要根据自己的要求来编写应用层软件。 c a n 数据链路层和物理层建立了报文发送时的方法、处理错误的规定、信 号电平的定义及相关协议。 c a n 通信协议模型与o s i 模型的对照如图3 3 所示。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 提供用户接墨应用层 提供数据格式和代码传输表示层 处理进程之间的协调会话层 负责数据传输控制传输层 相邻节点转发直到目的站网络层 提供计算机与网络的传输数据链路层 计算机与网络间传送位流物理层 o s i 参考模型c a n 协议模型 图3 3o s i 参考模型和c a n 网络协议模型 为了实现设计的透明性和执行的灵活性，c a n 技术规范2 。0 a 中，网络被划 分为疆标层、传输层和物理层。节点的分层结构和功能如图3 叠中p a r t a 所示。 目标层和传输层包括了由i s o 0 s i 模型定义的数据链路层的所有服务和功能， 按i s o o s i 参考模型层次定义，这两层应被划分为数据链路层范围。目标层主 要完成消息滤波、消息和状态处理，为应用层提供接口。在定义目标处理时， 存在很大的灵活憔。传输层是c a n 协议的核心，接收来自物理层的比特流并为 目标层提供服务，完成位定时和同步、协议封装、仲裁、应答、确认、出错检 测和错误标注以及故障限定等功能。和目标层相比，传输层不存在能被灵活修 改的特性。物理层功能范围包括：以一定的电气特征要求完成节点闷的实际位 传送过程。物理层在2 0 a 中没有被定义，以便在具体应用中对传输介质和信号 电平进行优化设计。i s 0 11 8 9 8 对物理层做了详细说明。 如图3 4 孛p a r t b 所示。c a n 协议技术规范2 0 b 严格遵循i s o o s i 参考模 型。将c a n 分为数据链路层和物理层，其中数据链路层又被分为逻辑链路控制 子层( l l c ：l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层和媒体访问控锘i ( m a c ：m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 子层，这两层的功能分别与2 。0 a 中的目标层以及传输层功能相对应。 l l c 子层功能包括为数据传输和远程数据请求提供服务、通过接收滤波决定接 收哪些消息、提供恢复管理和过载通知。m a c 子层是c a n 协议的核心，主要 功能是定义传输规则，如帧结构控制、错误检测及故障界定等服务。和2 0 a 的 1 4 武汉理上大学硕士学位论文 传输层一样，m a c 子层不存在被修改的灵灞性瑟9 1 。物理层定义了信号怎样被实 际传输，包括位定时、位编码和位同步等功能。和2 0 a 样，技术规范2 0 b 的 物理层中没有定义驱动器接收器特性，以便在实际应用中对传输介质和信号电 平进行优纯1 2 翻。 应用层 目标层 报文过滤 报文和状态处理 传输层 故障限定 出错检测和信令 报文确认 应答 仲裁 搬文分频 位定时和同步 物理层 电平窝位表忝 传输媒体 2 0p a r t a 图3 4c a n 2 0 协议的分层结构及功能 3 。2c a n 总线控制器的设计 3 2 1整体结构的设计 为了满足不阍的应用需要，c a n 总线控潮器采用基本和扩展两种工作模式。 基本模式专门用于收发标准格式帧，设置少量控制寄存器，简单易用，在总线 访问时间和总线吞吐量方面具有性能优势。扩展模式用于收发扩展格式帧，同 1 5 武汉理i ：大学硕士学位论文 时兼容收发标准格式帧，功糍全面，扩展模式可以提供几乎不受限制的数据类 型，并且引入较为完善的检错机制。 图3 5c a n 控制器模块结构翟 c a n 控制器模块结构图如图3 5 所示。各部分功能分述如下： 微控制器接鼷：是与外部微控制器的接豳，完成外部微控制器访阀c a n 控 制器中各用户寄存器地址的译码，生成c a n 控制器中各用户寄存器的选通信号。 控制、状态寄存器：包含了控制寄存器c r 、命令控制寄存器c m r 、状态 寄存器s r 和中断寄存器取。主要功能有：接收来自外部微控制器的控制与命令 信号，并将这些控制与命令信号下达给相关模块；将来囱c a n 总线和c a n 控 制器的状态信息与中断信息汇总并提供给外部微控制器。它将复位请求r r 命令 传达给相关模块，将清除溢出状态命令c o s 和释放接收缓冲器命令r r b 传送给 接收f i f o 。它将敬消发送命令a t 下达给c a n 状态机和发送缓冲器。它将发送 请求命令t r 传递给c a n 状态机和发送逻辑。 同步电路：总线定时寄存器b t r 0 和总线定时寄存器b t r l 用于装订位时间 参数翻位调整参数，在该模块中实现。该模块主要功能有：使c a n 控制器同步 于c a n 总线上的位流，一方面保证了正确接收来自c a n 总线上的数据，另一 方面为c a n 控制器中的各部件提供共同的时间基准从而协调其工作。 接收逻辑：监视总线，从总线上接收数据，为c a n 状态机提供某些状态转 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 移的控制信号，为错误管理逻辑提供一些错误检测的控制信号，执行总线仲裁， 依据接收代码寄存器a c r 和接收屏蔽寄存器a m r 的装订值进行报文滤波，并 将滤波通过的报文( 经拆装) 传送给接收f i f o 。 接收f i f o ：存贮接收逻辑从总线上接收到的经过报文滤波的数据，存储数 据的格式为经过拆装的完整的l l c 帧+ r t r 位，f i f o 容量为6 4 字节。接收f i f o 中开辟了一个小窗口，是接收f i f o 与外部微控制器之间的接口，长1 0 个字节。 外部微控制器要读取f i f o 中的数据，只能通过该窗口进行访问，这样保证了每 次读到的数据必定为有效的数据。该模块还要为控制、状态寄存器模块提供接 收中断赳、接收缓冲器状态r b s 、溢出中断o i 及数据溢出状态d o 等信息。 错误管理逻辑：依照c a n 2 0 a 协议完成错误检测，把有关错误统计和监听 信息报告给c a n 状态机，状态机依据其提供的信息( 总线信息和出错信息) 以及 其它模块提供的信息决定c a n 控制器下一步的状态。它也向控制、状态寄存器 模块提供错误中断e i 、错误状态e s 和总线状态b s 信息。 c a n 状态机：是控制c a n 控制器运行的核心部件，控制c a n 控制器的状 态及状态转移，为其余相关部件下达动作命令，并给控制、状态寄存器模块提 供发送状态t s 和接收状态r s 信息。 发送缓冲器：是外部微控制器与发送逻辑之间的接口，可存储需要发送到 c a n 网络上的有效信息( l l c 帧+ r t r 位) 。由1 0 个字节的存贮单元组成，数据 由外部微控制器写入，发送逻辑在发送时可以