（控制理论与控制工程专业论文）基于wirelessusb的lin总线分析仪的设计与实现.pdf

a b s t r a c t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f a u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s a n d m i c r o p r o c e s s o r t e c h n o l o g y , i n - v e h i c l e n e t w o r k t e c h n o l o g y m a t u r e s , a n d h a r n e s s c o n s t r a i n t s a r e b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y o b v i o u s . t h e i n t r o d u c e o f w i r e l e s s n e t w o r k t e c h n o l o g y i n t h e i n - v e h i c l e n e t w o r k a p p l i c a t i o n s s o l v e s t h e p r o b l e m , a n d p r o v i d e s b e t t e r s c a l a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t y . t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e i n - v e h i c l e l o c a l i n t e r c o n n e c t n e t w o r k a n d w i r e l e s s u s b n e t w o r k . i n v i e w o f t h e d i s a d v a n t a g e o f c u r r e n t l i n d e v e l o p m e n t t o o l s , t h e s y s t e m d e s i g n p r o g r a m o f l i n b u s a n a l y z e r i s a d v a n c e d , w h i c h i s b a s e d o n t h e s y s t e m r e q u i r e m e n t s . f i r s t l y , t h e h a r d w a r e s y s t e m a r c h i t e c t u r e a n d a d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f p s o c a n d w i r e l e s s u s b c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n t r o d u c e d . s e c o n d l y , t h e s y s t e m s o f t w a r e f r a m e w o r k a n d t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e b u s m o n i t o r t e r m i n a l s , b r i d g e s m a i n f r a m e a n d p c - s o f t w a r e a r e g i v e n i n d e t a i l s . t h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e a n a l y s i s a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e l a t e s t l i n p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n l i n 2 . 1 d a t a l i n k l a y e r a n d t r a n s p o r t l a y e r p r o t o c o l , a n d p r o p o s e s t h e w i r e l e s s u s b n e t w o r k a r c h i t e c t u r e d e s i g n , t h e w i r e l e s s n e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c s , w o r k f l o w a n d w o r k m o d e o n t h e b a s i s o f t h e w i r e l e s s n e t w o r k s c o e x i s t e n c e a n d i n t e r f e r e n c e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e a c t i o n m o d e l . k e y w o r d s : i n - v e h i c l e n e t w o r k , l i n , b u s a n a l y z e r , w i r e l e s s u s b , p s o c , p r o c 独创性声明 本人声明所呈交的学 位论 文是本人 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 人己 经 发 表 或 撰 写 过的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 止 # : 大生 或其 他 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 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论文 作者 完 全了 解份 * m一有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文的 规 定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅 。 本 人 授权 - 鱼 竺大生 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有关 数据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年月日 签字日期: 年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1引言 如今， 半导体在汽车电 子中 的应用越来越普及， 汽车电 子化的发展可以 满足 人们 对安 全、 节能、环保以 及智能化和信息化的需求。 根据s t r a t e g y a n a l y t i c s 分析， 全球汽车半导体市场收入将在 2 0 0 8 年达到 2 0 0 亿美元， 而作为第三大汽车 消费市 场和第四 大整车生产基 地的中国 ，汽车电子市场 将从2 0 0 2 年的1 6 亿美元 增长至2 0 0 7 年的5 5 亿美元 ， 。 电子设备的不断增加造成导线数量的不断增多， 使车内空间布线越来越困难， 车身网络技术的发展很好地解决了布线问题。在汽车内部使用基于总线的网络结 构，可以 达到 信息 共享、 减少布 线、降 低成本和提高总体 性能、 增加可靠性的目 的. 到目 前为止， 汽车网 络通信协议大约有4 0 多 种， 综合考虑 功能和传输速率等 因 素，现有的 汽车网 络可划分为5 类阁 : a , b , c , d , e 类网 络， 如下表 1 - 1 所示。 表1 - 1 汽车网络分类 类别 网络标准对象 位速率帅s 应用范围 a s i n e b u s , l i n, ttp / a等 面向传感器、执 行器控制的低速 网络 l k -1 0 k 电动门窗、座椅 调节、灯光照明 等控制 b 低速c a n , v a n , j 1 8 5 0 等 面向独立模块间 数据共享的中速 网络 l o k - 1 2 5 k 电子车辆信息中 心、故障诊断、 仪表显示等 c 高速c a n, tt p / c, f l e x r a y 等 面向高速、实时 闭环控制的多路 传输网 1 2 5 k -1 0 0 0 k 悬架控制、发动 机控制等 d i d b - c , i d b - m, i d b - 1 3 9 4 等 面向多媒体、导 航系统 2 5 0 k- 4 0 0 m 车用信息、通信 和娱 乐系 统等 e b 孵 fl i g h t , d s i , p l a n e t 等 面向乘员的安全 系统 20 k -i o m安全气囊等 1 . 2 l 工 n 网络的 发展现状 局部 互联网 络l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c t n e t w o r k ) 是一种开放的a 类网络， ， 是由l i n 协会提出的. l i n 协会成立 于 1 9 9 8 年 末， 最初是由 奥迪、 宝马、 戴姆勒、 浙江大学硕士学位论文 沃尔沃、大众、v olc a no 通信技术和 m otorola 共同成立. 该协会的目标是制定一 套可作为 c a n 辅助总线的开放标准，使其用于车身控制网络的低端场合，实现车 身网 络的 层次 化，降 低汽车网络的复杂 度， 保持最 低成 本。 l 工 n 总线 通信协议最早的版本l 工 ni. 0 在1 9 99年7 月发 行， 主要 是基于v l i t e 总线制定 的。 l i n 标准在2 0 0 0 年发布t 两个新版本l i n i . 1 和l i n i . 2 。 2 0 0 2 年1 1 月 l 工 n协会发布了 l 工 ni. 3 ，其目的是改进对物理层和节点间的兼容性.在 2 0 03 年， l in协 会发布了l i nz. 0 标准， 增加了 位速率检测 和诊断 等许多 新特性， 为低 成本的汽 车网 络应 用提供了 更多 的灵活性， l in标准己 较成熟。 2 0 0 6 年 1 1 月， l i n 协会又 发布t 最新的l i n z . 1 标准， 在l i n z . 0 标准的 基础 上作了一 些改进:明确了l i nz. 0 中 表述不 清的 概念; 取消消息标识符相 关服务; 物理层指 标加严;单独定 义传输层等闭 。 l 工 nz. 1 标准支持设备即插即 用， 从应用 层的角度更多地考虑了设备的配置和诊断特性。 目 前， 汽车网络技术正处 在高 速发展和全 面应用阶段， 普遍采用的汽车网 络 有c a n( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 和 l i n 。 2 0 世纪8 0 年代b o s c h 公司为 解决 汽车电子中和个电子单元间的通信问题开发了 c an 总线标准。c an 是一种多主方 式的串 行通讯总 线， 最高速率可 达 i m b ps，使 用短 帧来实 现数据的 高实时性， 有 很高的 纠错能力 和抗干扰能力。 c a n总 线己 发展得比 较成熟，己 成为目 前全 球产 业化汽车应用车 载网 络的主流。 l in是在 汽车网络发展到 一定阶 段后开始制定的， 它不仅仅定义了网络数据传输协议，还包括 l in 配置语言以及 lin 应用软件的接 口。 l 工 n总线是 着眼于高 性价比，最大 优势是低成本，在一些 低端的 应用中，不 需要 c an 的高性能、 高带宽和多功能， l in 总 线能够很好地替代c an 总 线， 而且 每个节点的 成本都 大大低于c an。 l in实现了 一种具有成本效益的智能 传感器和执 行器的通讯方式， 基于串行通讯接口(u a rt / s c i)、 数据格式、 单主/多从概念和 没有稳定 时间 基的节点的时 钟同 步【 习 。 l in相对于c an的成本节省主要是由 于采用 单线传输、 硬件或软件的 低成本实现和无需 从属节点中使用高精度谐振器 来实现 的。 1 3贾 i r e l e s s u s b 的发展现状 随着 无线技术不断发展和 成熟， 无线系统的 成本不断下降， 给各种设 备带来 了更大的 便捷性、移动性和良 好的 连接性。如 今蓝牙、 无线局域网 、 w i- fi、 u 阳 浙江大学硕士学位论文 无线 技术蓬勃发 展， w ireless u sb、 z i g b ee 等无线网络 层出 不穷，低成本、 高可 靠性的无线网络在消费电子、工业控制领域的应用越来越多。目前比较流行的无 线技 术如图1 一 1 所示， 这些无线网 络在频谱、 数据率、 数据编码、通信协议和网 络拓扑 等方面 有所 不同e 。 ca mp u sarea n e 卜 。 r k ln g 日 口 2 5 涛 认 ， ox80216 份乙 .如 “ 0币ce ar e a n e two 南n g 匆2 . 11刽b l g 日 0 2 . 甲 j n p e r s 0 n 日 ! a 旧 日 n已 卜 形 o rk in o ob iuel o a 劝， 8 0 2 . 1 5 .后 橇 绘 煞 弄 s imp lec a b le re p la ceme n t广 bo z 5 3 v e ryl o w 1 0 0m b i ts 了 5 图1 一 1 常见的 无线技术 赛普拉斯 ( c y p r e s s )公司的 w i r e l e s s u s b 柑 无线网 络是专门 针对短距离点到 点 或多点到点的无线连接而设 计的。w i rel ess u s b 份 使 pc 外设、游戏控制器、遥 控、玩具及其他任何点到点或多点到单点应用都能实现无线连接，并以低成本的 无线解决方案取代有线连 接。 w i r ele s s u s b 化 工作在 2 . 4 g hz 工 s m频段，传输距离 从1 0 米 ( 最高i m b p s ) 到5 0 米 ( 最高6 2 . s k b p s ) ， 使用既有的u s b 架构， 因此无 须特别的驱动软件。 w i r e l e s s u s b 川 最早的产品是 在2 0 0 2 年发布的w i r e l e s s u s bls系列器件， 它 的 通信距离高达 10米， 最大 传输速率为62. s k b ps， 平均延 迟时间 少于4 、， 具有 高度集成的无线收发器和数字基带，与u sb 控制器结合，无线应用简单，成为低 成本的无线 pc 外围控制系统的事实标准。在 2 0 04 年，赛普拉斯公司推出 wirelessusb 相lr系统产品，它的 最大传输速率为62. s k b ps， 平均反应时 间少于 1 0ms ，为 商业和工业无线应用提 供长达50米的通信范围， 提供了 替代z i g b e e 和 bluet oot h等复 杂且昂 贵的无线网 络方案的 解决方案， 拓宽了 无线系统的 应用市 场。 在 2 0 0 5 年， c y p r e s s 将w i r e l e s s u s b 和p s o c ( 可编程片上系统) 相结合， 又 推出了 一款具有可编程混合信号阵 列的2 . 4g h z 单芯片无线器 件 p r oc ( 可编程射 频片上系统) 。 3 浙江大学硕士学位论文 w i r e l e s s u s b l p 器件是在2 0 0 6 年推出 的，是c y p r e s s 第二代无线射频收 发 芯片， 它的传 输距离为1 0 米， 最大 速率为1 m b p s ， 低工作电压 和超低 功耗， 提供 了一 种无可比 拟的功能组 合， 用于点 对点、 多点对点无线 应用实现超群的抗干 扰性 能、低材料清单 ( b o m )成本、更高的 数据速率应用和更快的 产品面市时间。在 2 0 0 6 年 底还推出 -t p r o c l p 器件，将w i r e l e s s u s b l p 2 . 4 g h z 收发器与低成本的 带 u s b 设备接口的 e n c o r e i i 微控制器集成在一颗单芯片上。p r o c l p 简化了编 码和电路板设计，缩短了设计时间，提高了可靠性。 1 . 4课题的 研究背景 目前，低成本的 l i n网络在汽车电子和工业控制中的应用越来越广泛，而基 于 l i n总线的协议分析和调试测试工具少且昂贵。 l i n 开发工具主要有 m e n t o r 公 司的l i n s p e c t o r , v t p . l t p 等工具， 还有v e c t o r 公司的c a n o e . l i n , c a n a l y z e r . l i n 工具，以及 k v a s e r 公司的l e a f p r o f e s s i o n a l , l i n x 工具。绝大部分 l i n总线开 发工具存在一 些问 题: ( 1 ) 调试l i n 总线通常 做法是 通过网关将l i n 帧转换 成c a n 帧，再用基于 c a n的测试工具间接调试 l i n ，当网关出现问题时这种方式就行不 通:( 2 ) 和 p c 连接时采用串口或 u s b 接口等有线的连接方式， 在特定环境无法引 线的情况下无法进行现场开发调试. 为弥补目 前l i n 总线开发工具的不足，研 制新一 代的l i n 总线开发调试工 具 势在必行。考虑到l i n 是局部互连总线，在一 个系 统中常常存在多个相互独 立的 l i n 总线， 针对l i n 总 线的 局部独立、 低速率 ( 最高2 0 k b p s ) 、 低成本等 特点， 同 时考虑到 w i r e l e s s u s b 无线网络的优越性，将w i r e l e s s u s b 无线网络与 l i n网络 相结合， 本课题的 研究目的 就在于开发一个低成本、 通过无线连接、能并行调试 多 个l i n 总线的协 议分析仪， 提高开 发调试效率，有 效降 低开发成本。 1 . 5本文的主要内 容和结构 本文在深入研究 l i n网 络和 w i r e l e s s u s b无线网 络的 基础上， 提出了 基于 w i r e l e s s u s b 的l i n总线分 析仪的总 体设计方案;给出了 详细的硬件设计方案， 从软 件层次 和任务划分的角 度详 细给出了 软件设计方案; 基于 p s o c架构提出了 l 工 n 2 . 1 协议数据链路层的实现方案; 深入分析了w i r e l e s s u s b 无线网络的硬件特 性，提出tw i r e l e s s u s b 无线网 络的设 计方案，重点 探讨t w i r e l e s s u s b 主机和 从机的行为 模型， 详细描述了w i r e l e s s u s b 网 络的工作流 程和工作模式. 4 浙江大学硕士学位论文 全文共七章，总体结构安排如下: 第一章简 要介绍了 车身网 络的分类、l in 网 络的发 展现状和w i rel essusb 的 发展现状，分析了目前 l in 总线开发工具的不足，认识到 l in 网络的应用前景和 改进 l in 开发工具的必要性。 第二章从系统 需求的 角度分 析了l in总线分析仪的 基本功能和高级功能， 提 出了 基于w i r eless u s b 无线网络的 系统总体设计方案， 包括系统网络结构设计、 无线网络的选择和微控制器的选择等。 第三章给出了 基于w i rel essusb 的l in总线分析仪的 硬件组成和硬件总体结 构，然后按照硬件模块详细说明了硬件的特性，重点讨论了各硬件模块的设计要 点。 第四章分析了系统软件平台的选择，在分析数据流向的基础上按照功能模块 给出了 基于w ireless u sb的l in总线分 析仪的 软件层次和各 任务的 处理流程，探 讨了usb 系统的分层结构和 pc监控软件的设计。 第五章分析了最新的l in协议规范l 工 nz. 1 的特性、 规范组成和节点通信模型， 重点分析了 lin z . 1 规范数据链路层和传输层的协议，然后基于p s oc 架构提出了 l!n z . 1 数据链路层的软 件和硬 件的实 现方 法。 第六章分析了w i rel essusb无线网络的 直接序列 扩频特性、 动态数据率接收 特性、自 动事务序列器 和硬件组帧等 特性，重点 讨论了w ire l essusb 多网 络共存 和抗干扰特性， 提出了w i r e l e s s u s b 无线网络结构的设 计， 给出tw i r e l e s s u s b 主机和从机的行为模型，详细描述了w irelessusb 网络的工作流程和工作模式. 第七章总结了本文的主要工作和创新点，并指出本课题有待深入研究的问题 和今后工作的重点。 浙江大学硕士学位论文 第二章 l i n 总线分析仪系统组成和规划 2 . 1系统功能分析 本课题研究的l i n 总线分析仪主要面向车载网络的开发调试阶段，是一种低 成本、 高性能的l i n 总 线开发调试工具。 它分为p c 软件和嵌入式 设备两大模块， 支持即 插即用， 通过u s b 2 . 0 接口 与p c 软件通信; 扩展性强， 占 用 1 个u s b 接口 ， 能 提供多达2 5 5 个l i n 总线的 并行开发 调试; 采用直接调试总线的 方式而不通过 网关， 支持最新的l 工 n 2 . 1 规范， 具有多种工作模式，可快速动态切换， 支持完全 的主 机和从机节点仿真 特性，能 够监听 总线数据帧， 能够检测 冲突和错误。 2. 1 . ( 1 ) 基本功能 数据监听功能:自 动检测 l i n总线的主机节点， 并行监听多个 l i n总线的 数据，动态分析l i n总线的网络结构和报文结构. 错误检测功能:基 于数据位的l i n总线 错误检测 和分析。 主机仿真功能:任 意波特率的主 节点 ( m a s t e r ) 硬件仿真。 从机仿真功能:一个或多个从节点 ( s l a v e )硬件仿真。 、jj、1产、j 2门j4 护f、/tz几龟 2 . 1 . 2高级功能 ( 1 ) 原型 设计阶段:建 立网络 模型，自 动生 成n c f 和l d f 文件， 支持主机和 从机的软件仿真。 ( 2 ) 节点实现阶段:真实节点和虚拟节点的混合仿真，生成特定平台的代码。 ( 3 ) 系统测试阶段:制订测试计划，自动进行测试，自 动生成测试报告。 2 . 2系统结构设计 根据系 统的 功能需求，本课题 采用无线网络取代 传统的 有线连接的方式， 达 到更好的 扩展性和灵活性，整个系统的 网络结构如图2 - 1 所示。 l i n 总线分 析仪 的硬件设 备由 两部分组成: 主机桥接器 ( 1 个) 和总线 监控终端 ( 多 个) . 整 个无 线网络是 星形结构， 支持多点到点的 通信方式。总线 监控终端采集l i n 总线 上的 数据， 通 过无线网 络发送给主机桥 接器;主机桥接器 从无线网 络上接收l i n 总线 监控数据， 通过u s b 接口 发送到p c ; p c 监控软件对数据 做进一 步处理。 浙江大学硕士学位论文 提供优越的处理性能和灵活性。使用内部的数字用户模块，通过其独特的动态重 配置 用硬件电 路实 现l in 协议的部分 功能，减轻软 件负担，提高处理性能。 2 . 5本章小结 本章分析了系统的功能需求，引入无线网络替代有线连接，提出了系统结构 设计方案; 在对比blue to o th 、 zi ghee和wire l es s u s b 等无线网络技术的 基础上， 确定了本 系统的无 线网 络平台一一 wire l es sus b无 线网 络; 通过深入了解c p l d 、 f p g a和 p s o c等可编程器件的特性，确定了本系统的微控制器一一p soc混合信 号阵列，确立了系统的总体设计方案。 浙江大学硕士学位论文 第三章l i n总线分析仪硬件设计 3 . 1硬件总体结构 本课题的硬件组成为主机桥接器 ( 通过 u s b 接口连接到 p c ) 和 l i n 总线监控 终端 ( 连接到 l i n总线) 。l i n总线监控终端选用 m c u +r f 的构架，包括 p s o c控 制器、射频收发器、l i n 收发器和电源管理等，硬件原理框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 l i n 总线监控终端的 硬件结 构图 主机桥接器采用p r o c 架构， 在单芯片内 集成了 线性稳压器、 e n c o r e - i i 微控 制器、u s b设备和射频收发器，仅需极少的外部元件，硬件原理框图如图 3 - 2 所 图3 - 2 主机桥接器的硬件结构图 浙江大学硕士学位论文 3 . 2总线监控终端硬件设计 3 . 2 . 1 p s o c 控制器模块 c y p r e s s 的p s o c 混合信号阵列是 一款低成本的可编程器件， 它的 设计目 标是 用于 取代多 个基于 传统m c u 的系统 组件。 p s o c 的独特之处在于 它集成了 可编程的 数字、模拟模块和可编程的内部互连，它允许用户根据特定应用的需求来定制外 围设备， 生成 自定义的外设配置， 在运行时可动态载入和卸载( 动态重配置) o p s o c 架构主要由四 部分 组成c i o ，如图3 - 3 所示。 禽 7 p m b pon s on4 pon3 poni 李 i 一事 1 套 - 手 ys 兰 厂 . 尸 l 甲一一 一、 sr a m2 k 一 m u lp p ls c io c k s o u rc (in c lu d e s im o , il o , p l l , a n d e c o ) a n a l o g bl oc k 户 ir r 自 y .rh j d ig ita l bl oc k a r r a y 知 一 口 opocks amtdl nela ixc 瑟 亩 .瑟 亩 mdeh .ccumrefsystem resources h le rn alv il lage s w 此 h r 月 1 匆 尸 um p 目 m r 0 l v d s y s te m r e s e t s 图3 - 3 p s o c 内 部结 构原 理框图 . p s o c 内 核:内 核包括c p u 、 存储器、时钟和可配置g p i o o m 8 c 是一款最大运 行速度为2 4 m h z 的8 位处理 器， 它是哈佛结构， 提供4 m i p s 的性能。集成的 f l a s h 容量最大为3 2 k b s r a m 容量 最大为2 k b p s o c 器件集成t2 4 m h z 的主 晶振、 3 2 k h z 的 低速晶 振， 与多 个可编程的时钟分频器相结合， 几乎能满足系 统中 所有的时钟要求。 g p i o 提供c p u 、数字和模 拟资 源的 连接，每个引 脚支 持 8 种模式，可配置电 平 ( 低、 高 和改变)中断，为 外部接口 提供了很大的 1 1 浙江大学硕士学位论文 灵活性。 数字系统: 最多包含 16 个数字模块，每个模块是一个 8 位的资源，可单独使 用，也可以组合成 16位、24 位和 32 位的外设，数字模块的任意信号可以通 过全局总线连接 到任意引 脚。 数字模块可配置成以 下外设:脉宽调制器、计 数器、 带 捕捉的 定时器、 u a r t 接口 、 s pi主 / 从机、 i zc从机和多个主机、 c rc 校验和发生器、工 rda红外接口和伪随机数发生器。 模拟系统:最多包含 12个模拟模块，每个模块都包含一个运算放大器，能够 实现复杂的模拟信号流程。psoc 模拟模块常用的功能列表如下:a d 转换器、 d a 转换器、 滤波器、放大器、比 较器、 高电流驱动 器、 调制器、 相关器和拨 号器。 系统资源:数字时钟分频器提供 3 个可配置的时钟频率，时钟可以连接到数 字和模拟 模块， 也 可用 数字模块来分频; 两个乘加器 ( mac s) 提供带32位累 加的快速8位 乘法来加速数字滤波等数 学运算; 抽取器为数字信号 处理、 ad 转换等提供了一 个可定制的硬件滤波 器;工 zc硬件模块提供1 00和4 o 0 k hz 的 通信速率，支持主机、从机和多主模式;开关模式泵可以从 1 . zv 的电池电压 产生正常的工作电压，提供了一个低成本的升压转换器。 考虑到功能的 扩展， 本系统选用功能强大的c 丫 8 c 2 9 4 66， 它集成了 性能为4 m 工 ps 的8 位 m s c 处理器、3 2 k的f l a s h 、z k 的s r am，还集成t2 4 / 4 8 mhz 晶振、3 2 k h z 晶振，还集成了 16 个可编程的功能强大的数字用户模块、12 个模拟用户模块和 可 编程的内 部互联， 可非常 方便地选用多达1 00 种的 外设和设置 连接方式， 将 p cb 上 大部分的 元件和走线移到 芯片内 部， 而且可 动态重配置， 开发非常灵活。 p s oc控制器模块硬件设 计时 要考虑以 下问 题: . 工作电压和时钟:cy8 c29466 的工作电压范围为 3 . ov 到 5 . 25v ，当外部电压 低于 1 . ov 时可使用片上的开关模式泵进行升压。工作电压为 3 . ov 时，c pu 最快 运行速度为1 2 mijz ; 工作电压为2 . 4v时， 最大的运行速度为3 m hz。 选择 工作电 压的同时 考虑运行速度是非常重要的。为了 达到最快的 处理程度，工 作电压定为 sv，c pu 的运行时钟频率为 24mhz 。 . 外部 接口: c y 8 c 2 9 4 66 编程时使用的 是硬件 i zc 接口， 与无线射频模块连接 使用的是 s pi 主机接口 ( 带 i r q中断) ， 与 l in物理层驱动模块连接使用的是 浙江大学硕士学位论文 u a r t 接口 ，这些 接口 都可以 通过芯片内 部的 数字模 块来实 现， 其它的控制和 状态引脚都是通过g p i o 来连接。 . 引脚分配:当引 脚作为 标准的c p u 引 脚使用时 不用考虑引 脚的 冲突问 题，因 为这些引 脚的功能 和连接都是独立的。当引 脚要 连接到数字或模拟模块时， 引脚的分配问题相当重要，处理不好会导致引脚冲突。从引脚到内部模块的 连接关系是这样的:端口一全局互连总线一行互连总线一数字或模拟模块。 从理论上讲，一个模块的信号可以连接到任意一个引脚，但多个数字或模拟 模块综合考虑时， 就有了 约束， 这是由p s o c 的全局 互连总线 和行 互连总 线的 特点 决定的。 全局互连总线只有四组:全局奇/ 偶输 入和全局奇/ 偶输出， 所 以同一时刻连接到数字或模拟模块最多有 1 6个输入引脚和 1 6 个输出引脚。 所有的 偶数端口 ( p 0 , p 2 , :) 共用全局偶数输入 和输出 互连总线， 所有的 奇数端口 共用全 局奇 数输入和输出 互连总线，所以 在同一 类 ( 同奇 或同 偶) 端口中 对应的引 脚( 例如p 0 . 0 和p 2 . 0 ) 共用一条 全局互连输入 或全局输出线， 也就是不能同时作为模块的输入或输出引脚。行互连总线能连接到对应的全 局互连总线，但每行只有 4条输入线和 4条输出线，每行所有模块最多有 4 个不同输入和 4 个输出，相差4 位的同一类引脚 ( 例如 p o . 0 , p o . 4 , p 1 . 0 , p l . 4 ,) 在一 行内 共用一条 行互连输入或输出线， 也就是说相差 4 位的同 一类引脚不能同时连接到同一行模块的输入或输出。数字或模拟模块与行互 连输入总线的连接是任意可重复的，与行互连输出总线的连接是任意不可重 复的，故模块信号与行互连总线的连线只有数量的限制而不会产生冲突。因 此， 在硬件设计时， 为确 保引 脚分配没有冲突， 要先使 用p s o c 开发环境中 的 可视化用 户模块 和全局互连工具 对整 个系统各模块和 连接做一个初步设计。 . 封装:c y 8 c 2 9 4 6 6 有p d i p . s s o p 和s o i l 三种封装，其中s s o p 的 体积最小， 适合产品化，但不方便更换芯片和调试。由于 p s o c的仿真是替代式的仿真， 仿真器完全代替芯片工作，电路板上不能有芯片，所以仿真头插座的封装都 是 p d i p ,考虑到系统的开发调试.决定选用 p d i p 封装。 3 . 2 . 2无线射频模块 射频芯片选择c y r f 6 9 3 6 ， 它属于 w i r e l e s s u s b l p 系列，是c y p r e s s的第二代 射频片上系统 ( s o c ) ，兼 容第一代的c y w u s b 6 9 x x 器 件。 c y r f 6 9 3 6 增加了 一系列 浙江大学硕士学位论文 在测 试与 编程操 作特殊模式下， 通信波特率可高于10 o k b p s 。 l 工 n总线引脚可承受 +4ov一 1 8 v 的直流电压。 无需外部器件的sv 和 3 . 3v 兼容的数字输入. 通过 工 n h和 r x d 脚报告的本地和远程唤醒。 内部集成 3 0 k q上拉电阻。 睡眠模式工作电流为 8 . 0 协ao v s up ! 卜一j、 一.nh 一-， ， 。钾车峨夯 舀 . . j-_ 1卜 / 三 石 励 土 尸 即“ n d 1一1 -一一-一-一-一 图3 一 8 m c 3 3 6 6 1 内 部原理框图 毗3 3 6 6 1 有四种操作模式: . 正常 模式: lin 总线 处于工作状态， 符合li n z . 0 总 线规范， 最大速率20k b ps。 . 高 速模式:当l 工 n 总线在ecu 测试和下载程序时，处 于高 速模式， 通信速率 可达 1 0 0 k b p s 。 . 低速模式:为了 进一步降低l in总 线的电 磁辐射，可 进入低速模式. . 睡眠模式:当 l in 总 线无活动时进 入睡眠模式， 此模式功 耗极 低， 还可 实现 快速启动。 m c 336 61 的多种操 作模式， 使l in总 线驱动器的 性能大大改善。 用户根据不同 的需要设置相应的操作模式，在尽可能减少损耗的情况下又提高效率. li n 物理层驱动的 硬件设计要考虑的问 题如下: . 上拉电 阻:l in 总 线设 备分为主机 和从 机， 主机端的l in 总线要将 i k o上 拉电阻。上拉电阻和反向电 流二极管 不能连 到电 池电 压，因为当l in 总 线对 地短路时电池将持续放电，短路电流不能被关断.为了实现 自 动防故障，应 l 8 浙江大学硕士学位论文 将 l k 。电阻和反向电流二极管串联连接到 工 n h 引脚， 可以通过睡眠模式判断 主机终端，解决 l i n对地短路问题。本课题设计的 l i n总线分析仪可仿真主 机和从机， 可以 工作在主机模式， 也可以工作在 从机， 所以1 k q的上拉电 阻 必 须是可控的。 可以 用g p i o 通过光祸来控制上拉电阻的 通断， 同 时实现电 气 隔离，硬件原理图如图3 - 9 所示. p c8 i 7 c 图3 - 9 可控上拉电阻的 硬件原理图 . m c u接口:采用常用的 u a r t / s c i 接口 ( t x d和 r x d ) ，特别注意的是，r x d是 开漏输出， 由于 m c u的g p i o 配置为输入时是高阻输入， 所以外部必须增加 2 . 2 k 0的上拉电阻才能提供高电平。 另外模式控制引脚e n 也要连到m c u ， 用g p i o 来控制.为了方便调试，在硬件电路中还加了一个按键进行本地唤醒，硬件 原理图如图 3 - 1 0 所示。 vba t 图3 - 1 0 l 工 n 收发器m c 3 3 6 6 1 的硬件原理图 3 . 2 . 4电 源管理 模块 设 计电 源模块首先要考虑的问 题 如下: 浙江大学硕士学位论文 第四章l i n总线分析仪软件设计 4 . 1软件平台的选择 由于系统资源有限， 本系统不使用实时操作系统 ( r t o s ) ， 采用简单的前后台 系统和状态机模型。后台通常是一个无限循环的程序，在程序中查询事件是否发 生， 每个任务是否 具备运行条件等，如 果系统状态改变了， 则处理这 些事件或执 行相关任务 来做相 应处 理。 前台 运行在中 断服务 程序中， 它具有比后台 更高的 运 行优先级，适合处理异步事件，特别是时间相关性很强的关键操作。由于前台的 高优先级，后台只有在前台退出的情况下才能运行，前台提供的信息要等到后台 程序运行到该信息的处理时才得到处 理，前后台 系统在处理信息的及时性上比 r t o s 要差， 最坏的情况是前台运 行时间 太长， 前台刚退出 没多久，由 于时限 或外 部事 件的触发，又 进入 前台的 处理，后台 几乎得不到运行的 机会。因 此，在设 计 系统的软件结构时，前台的处理要尽量少，只处理关键操作，给后台预留足够的 处理时 间。由 于不使用r t o s ， 前后台系 统大大降低了 对系统软硬件的 要求， 有利 降低系统成本. 4 . 2数据流向 分析 本系统的软件设计方案围绕着数据的提取、传输和处理。从数据流向上看， 数据经过四个阶段的处理 ( 如图4 - 1 所示) ， 分别是 l i n总线协议处理 ( 从总线上 提取 数据帧) 、 w i r e l e s s u s b 协议处理、 u s b 协议处理和p c 监控软件的 处理 ( 显示 监控 数据和总线信息) . 本系统从硬件上 可分成三大部分: 总线监控 终端、 主机桥 接器和 p c 。 总线监控终端包括 l i n 协议处理和w i r e l e s s u s b 协议处理;主机桥接 器包括 w i r e l e s s u s b 协议处理和 u s b 协议处理; p c包括u s b 协议处理和监控软件 处理。 li n 协议处理 w i r e le s s u s b 协议处理 w 9 7 1 c 1 u s 顿 u s b 协议处理 p c监控 软件处理 总线监 控终地 护 c 机 图4 - 1 数据流向图 浙江大学硕士学位论文 4 . 3总线监控终端的软件设计 从软件层次上划分，总线监控终端包括驱动层、协议层和应用层，如图 4 - 2 所示。 驱动层主要包括s p i 接口 和u a r t 接口 的驱动 程序: 协议层包括l i n 2 . 1 协 议和w i r e l e s s u s b 从机协议; 应用 层使用协议层提供的 接口， 主要针对本系统的 功能需求，将从 l i n 总线上采集的数据帧通过w i r e l e s s u s b 无线网络发送给主机 桥接器 。 应用层 l i n 总线协议分析处理 协议层 w i r e l e s s us b n e t wo r k l i n p r o t o c o l lp ra d i o 驱动层 s p i 驱动程序u a r t 驱动程序 硬件层s p i 接口l i n 总线接口 图4 - 2 l i n 总 线监控终端的软件架构 从任务划分的角 度看， 总线监控终端主要由l i n 监控任务 和w i r e l e s s u s b 从 机传输任务组成， 下 面用u m l 序列图表示任务之间的 关系， 如图4 - 3 所示。 当l i n 总线有活动时，将 触发l i n 总线监控任务记录总 线的 状态并转换成特定的监控数 据帧，再由无线传输任务发往主机桥接器;无线传输任务将后向数据转换成配置 信息，再触发 l i n 监控任务控制 l i n 总线的活动。 li n总线 主机桥接器 图4 - 3 总线监控终端的任务调度序列图 浙江大学硕士学位论文 4 . 3 . 1 l i n 监控任务 l i n 监控任务时 刻监控 l i n 总线的活 动，当 有数据帧到达时， 将接收到的 数 据帧 放入无线发送缓冲区， 实 现监听总线的 功能; 当 总线出 现冲突和 数据出 错时， 也能 检测出 错误类型，生成 相应的 错误信息 帧放入无线发送缓冲区，实 现错误检 测的功能:当有数据要发送时，在适当的总线时刻将 l i n 数据帧往总线发出，实 现节点 仿真的功能，简要的 执行 流程如图4 - 4 所示。 l i n 监控任务实现了l i n 协 议的数据链路层