專利名稱：一種基于微處理器的USB-Flexray總線適配器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于微處理器的USB-Flexray總線適配器。
背景技術：
隨著車上控制及通信系統的日趨復雜，尤其是"線控"(X-byiire)系統的增加，現有 車載Flexray網絡面臨新的挑戰。為滿足"線控"系統要求的高速、高可靠性要求，BMW等 公司共同建立了 Flexray總線標準。Flexray是一個為車載應用系統高層網絡和"線控"系 統開發的通信標準。它可以在提高數據傳輸率的條件下，滿足汽車安全要求的可靠性指標。 Flexray利用兩條獨立的物理線路進行通信，每條線路的數據速率為lOMbps。 Flexray支持 TDMA訪問方式，同時支持事件觸發和時間觸發機制，可以較好地滿足下一代汽車通信系統的 要求，具有很好的應用前景。
USB是Universal Serial Bus——通用串行總線的簡稱，它是一種串行傳輸協議，自從 1995年Intel公司推出第一代USB協議開始，USB技術獲得了迅猛發展，現在，USB接口已 經成為了計算機的標準接口。作為一種新型的串行總線技術，USB在數據釆集系統等測試設 備的開發中具有得天獨厚的優勢，它具有最高480Mbps的傳輸速度，完全滿足常用測試系統 需求，它的.Plug and Play—熱插拔和總線供電技術使得它可以很方便地連接測試對象。
現階段，Flexray總線尚未獲得大規模應用，支持Flexray協議的通信控制器和信號收 發器還比較少。用于研究Flexray網絡的數據采集設備及相關產品也非常少。中國單片機公 共實驗室推出了一種Flexray和Flexray網絡分析、測試或伺服工具Flexray CCM，該設備 基于以太網接口與PC機連接，可以實現對Flexray網絡的參數分析、跟蹤、報文解釋和物 理信號分析。該設備選用了以太網接口，導致設備接口設計相對USB接口比較復雜，使用和 設備功能升級也相對復雜。
發明內容
本發明的目的是解決Flexray網絡設計研究中網絡數據監控問題，通過Flexray通信控 制電路采集Flexray數據，通過USB通信控制電路傳給PC機。
本發明以微處理器MC9S12XDP512為核心，集成了 Flexray通信控制芯片MFR4200和USB 通信控制芯片ISP1581。 MFR4200通過Flexray信號收發器與Flexray網絡連接，從Flexray 網絡采集數據，經微處理器解析處理后，存入微處理器緩存，USB通信控制接口將緩存中的數據傳送到PC機，實現Flexray總線實時監控功能。 本發明主要包括以下幾個模塊
微處理器，其作用在于作為適配器核心控制器件，控制Flexray通信控制芯片采集 Flexray總線信號，自動檢測USB主機連接，把數據送往USB主機；
Flexray通信控制龜路，其作用在于完成Flexray信號的收發操作，提供微處理器與 Flexray總線的通信接口。
USB通信控制接口電路，包括通信控制芯片和USB接口電路。其作用在于通過USB接口 電路連接USB主機，在微處理器控制下通過USB通信控制芯片完成與PC機的通信。
外圍電路，包括微處理器穩壓電路，復位電路，時鐘電路和工作指示電路。穩壓電路由 濾波電路和電壓轉換芯片組成，其作用在于將汽車提供的12V直流電壓轉換成5V直流電壓 提供給微處理器及其它電路。復位電路由復位芯片和按鈕組成，其作用在于對微處理器提供 強制復位信號，并實現看門狗功能；時鐘電路為有源晶振電路，為微處理器提供穩定的時鐘 信號；工作指示電路包括發光二極管和限流電阻，其作用在于在微處理器的控制下閃爍，指 示執行器工作狀態。
微處理器是適配器電路的核心控制器，穩壓電路，時鐘電路和復位電路是它的輸入信號， 適配器狀態指示電路是微處理器的輸出信號。Flexray通信控制電路和USB通信控制接口電 路與微處理器進行信號交互，分別提供微處理器與Flexray總線和USB主機的連接。
在整個適配器電路中，Flexray通信控制電路和USB通信控制接口.電路是其中重要的兩 個接口電路，Flexray通信控制電路一端直接與Flexray總線通過插接件接口連接，另一端 通過并行總線與微處理器通用1/0引腳連接。USB通信控制接口電路的核心為設備控制器芯 片ISP1581，它一端通過USB的A型接口接在USB主機上，另一端與微處理器的通用I/O引 腳連接，完成數據信號和控制信號的傳輸。微處理器外圍電路中，穩壓電路將接入的車載12V 電壓經過三級處理和電壓變換后輸出到微處理器和各接口芯片的VCC引腳；復位電路中復位 芯片輸出的Reset信號接到微處理器的RESTn引腳；時鐘電路中的有源晶振輸出穩定到時鐘 信號到微處理器的EXTAL引腳。
本發明適配器的工作狀態如下
適配器在電源接通后自動啟動微處理器，正確檢測到Flexray總線信號以后，自動采集 Flexray總線的數據，自動完成總線數據的解析，儲存在微處理器緩存中。當檢測到USB主 機連接以后，通過USB通信控制芯片建立與主機的連接，將數據傳送到PC機，完成PC機對 Flexray網絡的監控。
圖l是本發明系統整體結構框圖； 圖2是本發明微處理器模塊電路圖； 圖3是Flexray通信控制電路圖； 圖4是USB通信控制電路圖； 圖5是本發明微處理器主程序流程圖；
具體實施例方式
圖1所示為本發明系統整體結構框圖。本發明以微處理器MC9S12XDP512為核心，集成了 Flexray通信控制芯片MFR4200和USB通信控制ISP1581。MFR4200通過Flexray信號收發芯 片接Flexray網絡。ISP1581通過USB主機接口連接PC機。
在微處理器嵌入式軟件控制下，適配器采集Flexray網絡數據，儲存在微處理器緩存， 適配器響應USB通信控制ISP1581的通信請求，將Flexray數據送到PC機。微處理器U4的 引腳65、 66、 67、 68、 83、 84、 85、 86、 28、 29、 30、 31、 40、 41、 42、 43共16個引腳組 成16位數據總線，連接到Flexray通信控制芯片MFR4200的數據總線，同時連接到USB通 信控制ISP1581的數據總線。微處理器U4的引腳33、 34、 35、 36、 37、 38 、 39、 73、 74 共9個引腳，組成9位地址總線，接到MFR4200芯片的地址總線接口，微處理器U4的引腳 33、 34、 35、 36、 37、 38 、 39、 73共8個引腳組成8位地址總線，接到ISP1581的地址總 線接口。微處理的數據總線和地址總線通過片選信號CE—C和CEJJSB總線復用。微處理器U4 的引腳IO、 9、 8、 22、 21、 6、 72作為Flexray通信控制芯片MFR4200的通信控制引腳； 微處理器U4的引腳71、 70、 50作為USB通信控制芯片ISP1581的讀寫控制引腳。
本發明包括微處理器電路、Flexray通信控制電路、USB通信控制電路和由微處理器穩 壓電路，復位電路，時鐘電路和工作指示電路組成的外圍電路等模塊。
圖2所示為本發明微處理器模塊電路。微處理器U4為MC9S12XDP512單片機，該微處理
器為本適配器的核心處理器，連接適配器的主要功能模塊一Flexray通信控制電路和USB通
信控制電路。單片機的引腳130為USB通信控制芯片ISP1581的片選信號CSJJSB，引腳131
為Flexray通信控制芯片MFR4200的片選信號CE—C。微處理器U4的引腳65、 66、 67、 68、
83、 84、 85、 86、 28、 29、 30、 31、 40、 41、 42、 43共16個引腳組成16位數據總線，接到
USB通信控制芯片ISP1581和Flexray通信控制芯片MFR4200的相應數據總線接口 ，微處理
器U4引腳33、 34、 35、 36、 37、 38 、 39引腳和73、 74引膀卩共9個引腳，組成9位地址總
線，接到MFR4200芯片的地址總線接口，微處理器U4的引腳33、 34、 35、 36、 37、 38 、 39
引腳和73引腳共8個引腳組成8位地址總線，接到ISP1581的地址總線接口。微處理器U4
的數據總線和地址總線通過引腳復用實現單片機與Flexray通信控制芯片和USB通信控制芯片的數據傳輸。單片機的引腳77輸出復位信號RESET—USB到ISP1581的復位引腳，弓l腳78 輸出復位信號RESET_C到MFR4200的復位引腳。微處理器U4的引腳9為EN—Bl信號，接到 圖3所示的跳線接口器件P9的引腳3;微處理器U4的引腳10為STBN_B1信號，接到圖3 所示的跳線接口器件P10的引腳3;微處理器U4的引腳21為EN—Al信號，接到圖3所示的 跳線接口器件PU的引腳3;微處理器U4的引腳22為STBN一A1信號，接到圖3.所示的跳線 接口器件P12的引腳3;這四個引腳用來設定Flexray信號收發芯片工作模式。微處理器U4 的引腳6為ERN/WAKE一A信號，接圖3中U8的芯片喚醒引腳，引腳8為ERN/WAKE一B信號， 接圖3中Flexray信號收發芯片U5的芯片喚醒引腳，輸出芯片喚醒信號。微處理器U4的引 腳71、72為外部中斷信號輸入引腳，引腳71接ISP1581芯片U2輸出的通信中斷信號INTJJSB， 引腳72接Flexray通信控制芯片MFR4200 U6輸出的通信中斷信號INT—CC。微處理器U4的 引腳51輸出RE信號，接MFR4200芯片的讀使能引腳，引腳70輸出WE信號，接MFR4200芯 片的寫使能引腳。
除了如上所述的與USB通信控制芯片ISP1581和Flexray通信控制芯片MFR4200的連接， 微處理器U4還連接了必要的外圍電路晶振電路、復位及看門狗電路、模式選擇電路和濾 波電路。晶振電路以4M有源晶振芯片0SC1為核心，電容C29接0SC1的引腳1和引腳2，電 阻R39的一端接有源晶振芯片0SC1的時鐘輸出引腳3，另一端接到微處理器U4的EXTAL引 腳，為微處理器U4提供時鐘信號，電容C27為0SC2的濾波電容，并聯在電阻R39引腳兩端， R42接在微處理器U4的EXTAL引腳和GND信號之間；復位及看門狗電路以復位芯片MAX705 U7為核心，按鍵復位開關S1—端接GND信號，另一端接限流電路R16, R16的另一端接U7 的引腳1， U7輸出的復位信號RESET接到微處理器U4的ReSTn引腳；復位芯片MAX705 U7 的引腳6為看門狗信號輸入引腳，接微處理器U4的引腳32;模式選擇電路包括跳線開關P5、 P6、 P7與限流電阻R19、 R23、 R29。跳線開關P5、 P6、 P7的引腳3接VCC，引腳1接GND; 電阻R19的一端接P5的引腳2，另一端接U4的引腳50，電阻R19的一端接P5的引腳2，另 一端接U4的引腳49，電阻R19的一端接P5的引腳2，另一端接U4的引腳25;電容C21和 電阻R31串聯再與電容C26并聯組成濾波電路，接在微處理器的引腳VDDPLL和引腳XFC，是 微處理器PLL模塊的外圍濾波電路。
電源電路通過插接件P2與車載12V電源連接，防沖擊二極管D5串聯在P2的正極，與
保險絲Fl串聯組成第一級電源信號處理電路；濾波電容C9和電容Cll并聯在Fl電源輸出
引腳和GND信號之間，組成第二級濾波電路，為第二級處理電路；電壓轉換芯片電壓轉換芯
片VR1和并聯在VR1輸出引腳Vout和GND信號之間的濾波電容C12、 C10構成第三級轉換電
路，將12V直流電壓轉換成5V直流電壓，送到VCC端。直流電壓轉換芯片7805是使用廣泛的直流電壓轉換芯片，可以^E狄7V到30V范圍內的直流電壓轉換為5V穩定的直流電壓輸出， 電阻R12和發光二極管DS1串聯組成電源指示電路接在VCC和GND之間。
圖3為本發明中的Flexray通信控制電路。U6為Flexray通信控制芯片MFR4200， U5、 U8為Flexray信號收發芯片AS8221。 MFR4200是飛思卡爾生產的一款Flexray通信控制 芯片，MFR4200支持Flexray協議1. 1版本，振蕩頻率高達40M，最大數據傳輸率達10Mbps， 內部擁有59個可配置32位緩存。AS8221是由奧地利微電子生產的一款Flexray收發器，其 傳輸速度高達10Mbps，并具有錯誤檢測、溫度保護、喚醒等功能。U6的引腳39、 40、 51、 55、 56、 57、 58、 61、 62、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 10共16個引腳組成16位數據總線，接微處 理器U4的數據總線接口； U6的引腳11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 21、 22共9個引腳 組成9位地址總線，接微處理器U4的地址總線接口； U6的引腳29為片選信號，接微處理器 U4的片選信號輸出引腳131; U6的引腳27和30分別為讀寫使能輸入引腳，接微處理器U4 的引腳50和70; U6的引腳16為芯片復位信號輸入引腳，接微處理器U6的引腳78; U6的 引腳64為芯片通信中斷輸出引腳，接微處理器的引腳72。 U6通過上述引腳實現與微處理器 的連接，完成Flexray信號到微處理器的傳輸。U6的引腳41為Flexray信號輸出引腳，接 Flexray信號收發芯片U8的引腳5; U6的引腳33為Flexray信號輸入引腳，接Flexray信 號收發芯片U8的引腳7; U6的引腳36為Flexray信號收發芯片U8的發送使能引腳，接 Flexray信號收發芯片U8的引腳6; U6的引腳45為Flexray信號輸出引腳，接Flexray信 號收發芯片U5的引腳5; U6的引腳43為Flexray信號輸入引腳，接Flexray信號收發芯片 U5的引腳7; U6的引腳44為Flexray信號收發芯片U5的發送使能引腳，接Flexray信號 收發芯片U5的引腳6。濾波電容C24、 C28串聯后接在40M無源晶振Y2的引腳1和引腳2 之間，電阻R38接在無源晶振Y2的引腳1和引腳2之間，無源晶振Y2的引腳1接U6的時 鐘輸入引腳24，無源晶振Y2的引腳2接U6的時鐘輸入引腳25，為U6提供時鐘信號。
U8和U5均為Flexray信號收發芯片AS8221，構成2路Flexray信號收發電路，實現收 發電路冗余。U8的引腳3為芯片使能信號輸入端，接跳線選擇器P9的引腳2，通過跳線選 擇接U4的EN一B1信號或者VCC引腳。U8的引腳6為Flexray信號發送使能端，接U6的引腳 36; U8的引腳7接U6的引腳33， U8的引腳5接U6的引腳41; U8的引腳9為芯片的工作模 式設置引腳，接跳線選擇器P9的引腳2，與EN—A信號一起實現可控制的芯片模式選擇。按 鍵開關S3和電阻R28組成U8的手動復位電路，接VCC與U8的引腳15之間，實現U8的手 動喚醒。U8的引腳14為VBAT信號，接圖2中電壓轉換芯片VR1的VIN引腳。U8的引腳15 為芯片喚醒引腳，接按鍵開關S3; U8的引腳13為錯誤輸出引腳，接微處理器U4的引腳6。 Flexray信號收發芯片U8的引腳17為Flexray信號線BM—A，插接件P8的引腳1; U8的引腳18為Flexray信號線BP一A，插接件P8的引腳2;插接件P8的引腳1通過電阻R30接電 容C23, P8的引腳2通過電阻R37接電容C23，電容C23另一端接GND;電容C22、 C25并聯 后接在P8的引腳1和引腳2之間；Flexray信號收發芯片U8的引腳4通過電容C19接GND; Flexray信號收發芯片U8的引腳19接VCC，并通過電容C20接GND; Flexray信號收發芯片 U8的引腳8通過R24接VCC;
U5的引腳3接跳線選擇器P9的引腳2，通過跳線選擇接U4的EN一B1信號或者VCC引腳， 實現可控制的芯片使能。U5的引腳6為Flexray信號發送使能端，接U6的引腳44; U5的引 腳7接U6的引腳43， U5的引腳5接U6的引腳45; U5的引腳9為芯片的工作模式設置引腳， 接跳線選擇器P12的引腳2，與EN一B信號一起實現可控制的芯片模式選擇。按鍵開關S2和 R16組成U5的手動復位電路，S2—端接U5的WAKE—B引腳，另一端接電阻R15， R15的一端 接復位開關S2，另一端接VCC。 U5的引腳14為VBAT信號，接圖2中電壓轉換芯片VR1的 VIN引腳。U5的引腳15為芯片喚醒引腳，接按鍵開關S3; U5的引腳13為錯誤輸出引腳， 接微處理器U4的引腳8。 U5的引腳17為Flexray信號線BM—B，接到插接件P4的引腳1; U5的引腳18為Flexray信號線BP—B，接到插接件P4的引腳2。P4的引腳1通過R17接C17， P4的引腳2通過R18接C17， C17另一端接GND。 C16、 C18并聯后接在P4的引腳1、 2之間。 U5的引腳4通過C14接GND;引腳19接VCC，并通過C15接GND;引腳8通過R13接VCC。
圖4為本發明的USB通信控制電路。USB通信控制電路以USB通信控制芯片ISP1581 U2為核 心。U2引腳10、 41、 44、 45、 46、 47、 48、 49、 50、 51、 52、 53、 54、 55、 56、 57共16個引 腳組成16位數據總線，接微處理器U4的數據總線接口； U2的引腳30、 31、 32、 33、 34、 35、 38、 39共8位引腳組成8位地址總線，接微處理器U4的地址總線接口。 U8的引腳10為復位信號 輸入引腳，接U4的引腳77;引腳25為片選信號，接微處理器U4的引腳131; USB通信控制芯片 U8的引腳26、引腳27為芯片的讀寫使能引腳，分別接U4的引腳50、引腳70;弓I腳28為USB通 信中斷輸出引腳，接U4的引腳71。 U2的引腳5為USB信號D-，通過限流電阻R2接USB接口U1的 引腳2， U2的引腳6為USB信號D+，通過限流電阻R3接USB接口U1的引腳3，實現USB物理信號的 傳輸。二極管D1接在U1的引腳2和VCC之間，D2接在U1的引腳3和VCC之間，D3接在U1的引腳2 和GND之間，D4接在U1的引腳3和GND之間。U1的引腳1為VBUS引腳，串聯二極管D7和濾波電 感L6接VCC。電容C1為VBUS的濾波電容。R1接U2的引腳4和引腳7。 U2的引腳9通過電阻R8接VCC， U2的引腳19通過電阻R9接VCC， U2的引腳20通過電阻R11接VCC。中，無源晶振Y1兩端分別通 過濾波電容C3， C4接GND，無源晶振Y1的引腳1接到USB通信控制芯片U2的引腳59，無源晶振 Y1的引腳1接至IJUSB通信控制芯片U2的引腳60。
圖5為微處理器主程序流程圖。微處理器程序實現Flexray數據的采集并通過ISP1581傳給PC機。程序采用中斷機制，功能模塊均包含在中斷處理函數中。微處理器上電后，初始化微 處理器輸入輸出口 ，初始化Flexray通信控制芯片MFR4200和USB通信控制芯片ISP1581 。初始 化完成后，開全局中斷。主程序前臺等待中斷，檢測到Flexray接收中斷，則調用Flexray中 斷處理程序，該程序讀取Flexray模塊接收緩存，清Flexray中斷接收標志，調用Flexray-USB 協議轉換子程序，將Flexray總線信號轉換成USB格式的數據，送入微處理器U4緩存中，從而 完成Flexray總線數據處理；檢測到設備控制器芯片ISP1581通信中斷，調用中斷處理程序， 通過處理端點通信請求，完成USB設備的枚舉與l)4緩存中Flexray數據到PC的傳輸。
本發明將高速靈活的USB總線應用于Flexray總線數據采集，通過微處理器控制 MFR4200實現了 Flexray數據的采集，通過USB通信控制芯片ISP1581芯片實現了設備與PC 的靈活連接，實現了對Flexray網絡的數據采集與實時監控。
權利要求
1.一種基于微處理器的USB-Flexray總線適配器，其特征在于該USB-Flexray總線適配器以微處理器MC9S12XDP512為核心，連接Flexray通信控制電路和USB通信控制電路；Flexray通信控制電路包括Flexray通信控制芯片U6和Flexray信號收發芯片U8和U5，Flexray通信控制芯片U6通過Flexray信號收發芯片U8和U5與Flexray網絡連接，從Flexray網絡采集數據，經微處理器U4解析處理后，存入微處理器U4緩存；USB通信控制電路包括USB通信控制芯片ISP1581和USB接口電路；USB通信控制芯片ISP1581讀取微處理器緩存中的數據，通過USB接口電路傳送到PC機，實現Flexray總線實時監控功能。
全文摘要
一種基于微處理器的USB-Flexray總線適配器。它包括連接PC機的USB接口和連接Flexray總線網絡的Flexray總線接口，由一個微處理器分別通過一個USB通信控制電路和一個Flexray通信控制電路連接所述的USB接口和Flexray總線接口，實現Flexray總線到PC機的數據傳輸。本發明由微處理器控制數據在Flexray總線和USB接口之間傳輸，解決了Flexray總線網絡的數據采集問題，提供了一種研究Flexray網絡的設備。
文檔編號H04L29/02GK101309193SQ20081011492
公開日2008年11月19日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者宋曉光, 廖承林, 張利軍, 芳 李, 王麗芳 申請人:中國科學院電工研究所