一种用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器

摘要

本发明提供了一种用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器。本发明的转换器包括底层硬件及支撑软件，底层硬件包括电源适配模块、协议转换模块两部分，支撑软件是基于状态查询与响应机制实现的有限状态机。采用本发明，能够实时、高效和可靠地实现FlexRay总线和PC104总线节点间的双向通信，同时定位、识别、分析、并跟踪检测总线通讯故障，解决FlexRay总线和PC104总线之间的信号接口与数据交换问题，网络时延小，数据帧动态分配合理，故障定位准确快速，便于多总线控制系统的快捷有效的集成。

说明书

技术领域

本发明属于现场总线通讯控制技术领域，具体涉及一种用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器。本发明可用于汽车电子控制系统和工业总线控制系统。

背景技术

在汽车电子控制系统和工业总线控制系统中，同一控制系统中常常需要使用多种总线技术。总线之间的信号接口和协议转换问题，直接影响整个控制系统的快速有效集成。作为一种新兴的具有传输可确定性和故障容错机制的高速总线，FlexRay总线亦亟待解决与目前广泛使用的PC104、USB、CAN等总线之间的接口问题。

发明内容

[0003] 为了解决FlexRay总线与PC104总线之间的信号接口和协议转换问题，本发明提供一种用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器。该协议转换器基于FlexRay总线和PC104总线通讯协议，实现FlexRay总线和PC104总线之间的现场全双工实时通信，并无缝集成识别、分析、跟踪和检测故障技术，解决FlexRay总线和PC104总线之间的信号接口与数据交换问题，便于多总线控制系统的快速有效集成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供一种用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器,其包括底层硬件及支撑软件两大部分。

底层硬件包括协议转换模块、电源适配模块两部分。

协议转换模块是所述协议转换器底层硬件的核心部分，包括主控制器、FlexRay总线控制器、电压隔离转换器、FlexRay总线收发器以及信号指示灯。主控制器中固化FlexRay总线和PC104总线协议转换逻辑和配置项，实现FlexRay总线和PC104总线之间的数据交换和通讯控制，其与外部PC104主控计算机连接，并经由电压隔离转换器对信号实现电压隔离和转换，与FlexRay总线控制器连接。FlexRay总线控制器对FlexRay总线通信过程进行配置和控制，其与电压隔离转换器连接实现信号的电压隔离和转换，然后与FlexRay总线收发器连接。FlexRay总线收发器与外部FlexRay网络连接，是 FlexRay总线控制器与物理FlexRay总线的接口，为外部FlexRay网络提供差动接收与发送能力。信号指示灯与主处理器连接，指示总线通信状态及故障信息。

电源适配模块为协议转换模块提供所需的直流电压，包括电源转换模块、电源滤波电路和电源指示灯。电源适配模块通过PC104总线接口，从外部PC104主控计算机获得直流电压，经电源滤波电路对电流进行缓冲和滤波，经由电源转换模块转换为所需的直流电压，向协议转换模块相应电路供电,并与电源指示灯连接以显示供电状态。

支撑软件存储于主控制器中，对FlexRay总线和PC104总线之间的数据交换和通讯过程进行控制，主要实现有限状态机，依次执行如下步骤： 

1）上电初始化，设置状态标志位向量；

2）依据FlexRay总线和PC104总线的协议转换器自检机制检测装置启动成功标志，若该标志位有效，转入步骤4），反之，转入步骤3）；

3）故障检测识别、定位及处理；

4）检测自检成功标志，若该标志位有效，转入步骤5），反之，转入步骤3）；

5）检测初始化成功标志，若该标志位有效，转入步骤6），反之，转入步骤3）；

6）检测有限状态机成功启动标志，若该标志位有效，转入步骤7），反之，转入步骤3）；7）检测关键节点状态标志，若该标志位有效，转入步骤8），反之，转入步骤3）；

8）检测结束运行请求标志，若该标志位有效，转入步骤10），反之，经由步骤9）返回步骤7）；

9）自适应调节；

10）检测停止运行标志，若该标志位有效，转入步骤11），反之，转入步骤3）；

11）设定结束状态为结束运行并断电清零状态。

本发明的总线协议转换运行过程是：

所述协议转换器两端分别与外部PC104主控计算机和外部FlexRay网络连接后，当外部PC104主控计算机向外部FlexRay网络中相关下级节点发送控制命令及数据时，这些命令和数据进入主控制器中，主控制器通过中断接收并解析这些命令或数据，并按PC104总线协议进行解码，然后将解码后的命令、数据和相应预设信息组合成一组满足FlexRay协议的数据信号，并经由电压隔离转换器对数据信号实现电压隔离和转换，写入FlexRay总线控制器的数据发送缓冲区，FlexRay总线控制器经由电压隔离转换器和 FlexRay总线收发器将数据信号发送至外部FlexRay网络。

当外部FlexRay网络中由现场FlexRay节点向PC104主控计算机发送数据时，首先FlexRay总线收发器接收现场FlexRay节点上传信息，通过电压隔离转换器进行电压隔离和转换，写入FlexRay总线控制器的数据接收缓冲区，同时FlexRay总线控制器向主控制器发出接收成功仲裁，主控制器响应仲裁，从FlexRay总线控制器的数据接收缓冲区读取数据，并经由电压隔离转换器对数据信号实现电压隔离和转换，然后按照FlexRay通信协议对获取的数据进行解码，然后将解码后的数据和相应预设信息组合成一组满足PC104协议的数据后，由主控制器发送相应的控制命令和数据，经PC104总线发送至外部PC104主控计算机。

该过程中，主控制器依照完善的识别、分析、并跟踪检测故障算法实时跟踪关键节点状态，并控制信号指示灯的闪烁以显示及跟踪该协议转换器的工作状态与故障信息。

本发明的有益效果是，实现FlexRay总线与PC104总线的信号接口与通讯控制的同时，解决时间触发与事件触发的模式转换问题，优化 FlexRay双通道冗余通讯逻辑，各功能模块采用成熟技术及通用元器件，结构简单，电路元器件互换性好。

附图说明

图1是本发明用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器的底层硬件结构框图。

图2是本发明用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器的支撑软件的流程图。

具体实施方式

本发明将结合实例参照附图进行详细说明，以便对本发明的目的，特征及优点进行更深入的理解。

图1是FlexRay总线和PC104总线的协议转换器的底层硬件结构图。该协议转换器底层硬件包括协议转换模块1和电源适配模块2共两大部分。

协议转换模块1是所述协议转换器的核心部分，包括一个主控制器10、一个FlexRay总线控制器12、电压隔离转换器11、电压隔离转换器13、电压隔离转换器15、FlexRay总线收发器14、FlexRay总线收发器16以及信号指示灯17。

主控制器10采用可编程逻辑器件，固化FlexRay总线和PC104总线数据交换和通讯控制的协议转换逻辑及配置项，本实例中选用Lattice公司的CPLD M4A5-192/96，其具有192个宏单元，96个可用I/O口，支持JTAG调试标准。FlexRay总线控制器12对FlexRay总线通信过程进行配置和控制，本实例中选用FreeScale公司的MFR4200控制器,其提供9位地址线、16位数据线、11位控制线等信号接口。FlexRay总线收发器14、FlexRay总线收发器16，为FlexRay控制器与物理FlexRay总线的接口，为外部FlexRay网络提供差动接收与发送能力，本实例中选用NXP公司的TJA1080A收发器。电压隔离转换器11、电压隔离转换器13、电压隔离转换器15、用于电压隔离和转换，以确保数据正常通讯和避免芯片过压损伤，本实例中选用TI公司的电平转换芯片LVC164245。信号指示灯17用于指示总线通信状态及故障信息，本实例中选用贴片绿色LED，封装0805。

外部PC104主控计算机以16位数据线、8位控制线、9位地址线方式，经由I/O端口与主处理器10连接。主处理器10以16位数据线、11位控制线、9位地址线方式，经由电压隔离转换器11对信号实现电压隔离和转换，与FlexRay总线控制器12连接。同时主处理器10与信号指示灯17连接，指示总线通信状态与故障信息。FlexRay总线控制器12与电压隔离转换器13连接，实现信号的电压隔离和转换，然后与FlexRay总线收发器14连接，而FlexRay总线收发器14与外部FlexRay网络连接。FlexRay总线为双通道冗余总线，亦有FlexRay总线控制器12与电压隔离转换器15连接后， 与FlexRay总线收发器16连接，而FlexRay总线收发器16与外部FlexRay网络连接。

电源适配模块2为协议转换模块1提供满足所需的直流电压，包括一个电源转换模块20、电源滤波电路19、电源滤波电路21）以及电源指示灯22。

电源转换模块20实现电平转换功能，本实例中选用TI公司的TPS7333Q低压差稳压器。电源滤波电路19，实现电流的缓冲和滤波，本实例中采用一只100μF电解电容和一只0.01μF电容串接电路。电源滤波电路21与电源滤波电路19原理和结构相同。电源指示灯22用于指示电源状态，本实例中选用贴片绿色LED，封装0805。

电源适配模块2通过PC104总线接口，从外部PC104主控计算机获得+5V直流电压，经电源滤波电路19对电流进行缓冲和滤波，对协议转换模块1电路供电；同时，经由电源转换模块20将+5V直流电压转换为+3.3V直流电压，经电源滤波电路21对电流进行缓冲和滤波，供给FlexRay总线控制器12使用；并与电源指示灯22连接显示电源通断状态。

图2是FlexRay总线和PC104总线的协议转换器的支撑软件的流程图。本发明用于FlexRay总线和PC104总线的协议转换器的支撑软件是基于状态查询与响应机制实现有限状态机：

步骤20为初始动作。

步骤21状态标志位向量上电初始化。

步骤22依据FlexRay总线和PC104总线的协议转换器自检机制检测装置启动成功标志，若该标志位有效，转入步骤24；反之，转入步骤23。   

步骤23故障检测识别、定位及处理。

步骤24检测自检成功标志，若该标志位有效，转入步骤25；反之，转入步骤23。

步骤25检测初始化成功标志，若该标志位有效，转入步骤26；反之，转入步骤23。

步骤26检测有限状态机成功启动标志，若该标志位有效，转入步骤27；反之，转入步骤23。

步骤27检测关键节点状态标志，若该标志位有效，转入步骤28；反之，转入步骤23。

步骤28检测结束运行请求标志，若该标志位有效，转入步骤30；反之，经由步骤29返回步骤27。

步骤29自适应调节。

步骤30检测停止运行标志，若该标志位有效，转入步骤31；反之，转入步骤23。

步骤31设定结束状态为结束运行并断电清零状态。

上述实例仅为说明本发明而例举，并非用于限制本发明，任何基于上述实施例的等同变换，均应在本发明的专利保护范围之内。