一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块
阅读说明：本技术 一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块 (FlexRay bus optical fiber communication module based on FPGA ) 是由 董虓霄 马云峰 靳五强 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块,其包括FPGA最小系统和与其连接的FlexRay总线通信单元、CPCIe光纤通信单元,FlexRay总线通信单元连接FlexRay外部总线,CPCIe光纤通信单元连接PCIe系统总线,FlexRay总线通信单元执行FlexRay通信协议,实现光纤通信模块与FlexRay外部总线之间数据传输；光纤通信单元完成光、电信号的相互转换,实现光纤通信模块利用光纤介质进行数据交换；FPGA最小系统用于PCIe系统总线与FlexRay外部总线之间的数据交换。本发明该通信模块可直接兼容原有FlexRay总线结构；实现FlexRay高速总线利用光纤介质传输；提升FlexRay高速总线的传输距离,增加FlexRay总线应用的应用范围。(The invention discloses a FlexRay bus optical fiber communication module based on an FPGA (field programmable gate array), which comprises an FPGA minimum system, and a FlexRay bus communication unit and a CPCIe optical fiber communication unit which are connected with the FPGA minimum system, wherein the FlexRay bus communication unit is connected with a FlexRay external bus; the optical fiber communication unit completes the interconversion of optical signals and electric signals, and realizes that the optical fiber communication module performs data exchange by using an optical fiber medium; the FPGA minimum system is used for data exchange between a PCIe system bus and a FlexRay external bus. The communication module can be directly compatible with the original FlexRay bus structure; the FlexRay high-speed bus is transmitted by using an optical fiber medium; the transmission distance of the FlexRay high-speed bus is increased, and the application range of the application of the FlexRay bus is enlarged.)
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，涉及一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块，利用光纤介质实现FlexRay高速总线数据通信。
背景技术
总线通信广泛应用于各种工业控制网络中，主要为了解决不同电子设备之间的通信问题，尤其体现在航空航天、汽车制造、航海、自动控制、过程工业等领域。目前，应用时间长，技术发展成熟的外部总线通信技术包括CAN总线、1553B总线等，其具有高可靠性、高确定性和高容错性等特点。但随着科学技术的不断发展，日益增长的数据量和越来越高的实时性通信需求已经逐渐对传统的外部总线通信技术提出了挑战，新一代的高速外部总线技术FlexRay总线开始在相关领域得到应用。
FlexRay作为新一代高速串行外部总线协议，与传统总线相比，在通信速率/可靠性和灵活性等方面具备明显优势。FlexRay总线目前只应用于少数品牌的车载总线通信网络中，具有极大的应用前景。相比于CAN总线和1553B总线最高1Mbps的数据传输速率，FlexRay总线单通道上的数据传输速率最高支持10Mbps，两条通道的总传输速率最高可达20Mbps，因此能够适应大数据量和高实时性的通信要求；两条通道可实现单通道工作、双通道工作和冗余工作三种工作方式。此外，FlexRay总线网络拓扑结构灵活，支持点对点、总线型和有源星型等多种结构。在通信机制方面，FlexRay总线采用循环周期通信，数据帧最大支持到254帧，通过合理配置通信周期和消息长度，可保证接收节点提前预知消息到达时间。
但是依赖电缆作为信号传输介质极大地限制了FlexRay总线的传输距离和应用范围。FlexRay总线电缆传输的最远距离约为20米，而普通多模光纤的传输距离就可以达到300米以上。此外，光信号在长距离传输过程中衰减小，且不受周边环境电磁干扰。利用光纤介质实现FlexRay高速总线数据通信可以在兼容现有FlexRay总线网络结构的基础上，进一步拓展器应用范围，如军工、测控、航空航天等诸多领域。
由于FlexRay高速总线的总线驱动器无法直接支持光纤介质通信，因此设计一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块，该模块采用FPGA作为核心实现FlexRay高速总线与GTX高速串行收发器之间的数据转换，实现利用光纤介质完成FlexRay高速总线数据通信，拓展FlexRay总线应用范围。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对FlexRay高速总线受传输电缆限制的问题，提出一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块，实现利用光纤介质实现FlexRay高速总线数据通信的功能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块，包括FlexRay总线通信单元、光纤通信单元、FPGA最小系统和电源电路单元；FlexRay总线通信单元执行FlexRay通信协议，实现光纤通信模块与FlexRay总线网络之间数据传输；光纤通信单元完成光、电信号的相互转换，实现光纤通信模块利用光纤介质进行数据交换；通信模块的处理核心采用FPGA最小系统，通过对FPGA芯片内部IP核设计，实现FlexRay高速外部总线与FPGA最小系统中GTX高速串行收发器之间的数据传递；电源电路单元为光纤通信模块各单元供电。
其中，FPGA最小系统包括FPGA芯片、时钟电路、复位电路和调试接口电路；所述FPGA芯片本专利中以Xillinx公司的Kintex7系列的XC7K325T芯片为例，但不局限于同款芯片。
其中，所述FlexRay总线通信单元采用基于通信控制器和总线驱动器的FlexRay总线节点框架方案，具体包括一个通信控制器与两个总线驱动器。通信控制器芯片与FPGA连接，本专利中通信控制器芯片以MFR4310为例，但不局限于同款芯片；两个总线驱动器芯片分别与通信控制器芯片连接，总线驱动器芯片以TJA1080为例，但不局限于同款芯片。
其中，所述光纤通信单元采用光电信号转换芯片与FPGA连接，光电信号转换芯片以HTA8525为例，但不局限于同款芯片。
其中，所述电源电路单元分别为FlexRay总线通信单元、光纤通信单元和FPGA最小系统提供供电需求。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于FPGA的FlexRay总线光纤通信模块，具有以下有益效果：
(1)该通信模块可直接兼容原有FlexRay总线结构；
(2)实现FlexRay高速总线利用光纤介质传输；
(3)提升FlexRay高速总线的传输距离，增加FlexRay总线应用的应用范围。
附图说明
图1本发明FlexRay总线光纤通信模块原理图；
图2本发明FPGA最小系统原理图；
图3本发明FlexRay总线通信单元与光纤通信单元原理图；
图4本发明电源模块原理图；
图5本发明FPGA内部逻辑功能图；
图6本发明异步FIFO逻辑功能图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明FlexRay-CPCIe通信模块原理图。通信模块包括FPGA最小系统、电源电路单元、FlexRay总线通信单元和CPCIe光纤通信单元。通信模块的核心处理器采用FPGA最小系统，通过对FPGA芯片内部IP核设计，使FPGA起到两种不同通信协议之间信息交换的桥梁作用，实现PCIe系统总线与FlexRay高速外部总线之间的数据交换，电源电路单元为通信模块各单元供电。所述光纤通信模块可安装于计算机机箱内CPCIe背板上，从而实现利用计算机操作系统对FlexRay高速总线进行开发、测试等功能。
图2为本发明FPGA最小系统原理图，FPGA最小系统包括FPGA芯片、时钟电路、配置接口和程序存储电路。FPGA芯片采用Xillinx公司的Kintex7系列的XC7K325T芯片，该芯片具有多达400个用户自定义I/O引脚接口和多种配置模式，便于提高设计灵活性；时钟采用高精度外部晶振；为加强FPGA芯片配置效率，配置接口可同时满足调试(JTAG)模式和比特外设接口(BPI)模式；程序存储芯片采用StrataFlash芯片。
图3为本发明FlexRay总线通信单元与光纤通信单元原理图，FlexRay总线通信单元采用通信控制器和总线驱动器的FlexRay总线节点框架方案，包括一个通信控制器分别与两个总线驱动器。通信控制器芯片与FPGA连接，采用MFR4310；两个总线驱动器芯片分别与通信控制芯片连接，采用TJA1080；光纤通信单元采用光模块芯片与FPGA连接，光模块芯片采用HTA8525。
FPGA与MFR4310之间通过异步存储器接口(AMI)方式连接，包括时钟信号、数据信号、地址信号、读/写使能信号、中断信号与复位信号，MFR4310与TJA1080则通过数据信号与收/发使能信号相连；FPGA与HTA8525之间通过高速收发器GTX实现高速串行信号的通讯。
图4为本发明电源模块原理图。电源模块采用多输出DC/DC芯片为通信模块提供稳定电源。FPGA涉及1.2V、1.5V和3.3V供电，MFR4310和HTA8525为3.3V供电，TJA1080为5V供电。
图5为本发明FPGA内部逻辑功能图，由时钟管理模块、FlexRay数据收发模块和GTX数据收发模块三部分组成。
时钟管理模块中，外部晶振产生的时钟信号由专用全局时钟引脚(GCLK)输入至FPGA内部。为提高时钟信号的驱动能力，需首先经过全局时钟缓冲(IBUFG)。为保证时钟精度，使用了时钟管理模块(DCM)对IBUFG输出的时钟信号进行频率调整，并将DCM的输出连接至全局缓冲(BUFG)，得到稳定的单端时钟信号供FlexRay数据收发模块和CPCIe数据收发模块调用。
FlexRay数据收发模块包括由Verilog语言编写的FlexRay协议控制模块、通道控制模块、中断接口模块和数据缓存模块。FlexRay协议控制模块完成初始化配置和协议操作配置，初始化配置包括FlexRay全局参数及通信模式的设置，协议操作配置包括FlexRay通信过程中各状态的转换与控制；通道控制模块实现对双通道FlexRay通信状态以及使能的控制；中断接口模块实现中断信号的监测和消除；数据缓存模块由异步FIFO组成，实现FlexRay数据的发送与接收。
GTX数据收发模块由verilog语言编写的数据控制模块和IP核组成。数据控制模块完成初始化配置，IP核完成数据的传输及保护，从而实现PCIe数据的发送与接收。
图6为本发明异步FIFO逻辑功能图。由于FlexRay数据收发模块和光纤数据收发模块时钟速率不同，为避免数据丢失，在FPGA内部采用异步FIFO用于缓存数据。异步FIFO主要由双口RAM、读/写地址发生器和空/满信号发生器组成。对于FlexRay数据收发模块和光纤数据收发模块，异步FIFO的工作方式一致。信号的发送由写时钟和写使能(发送使能)控制，当非满信号有效时，将发送数据和地址写入RAM中；然后由读时钟和读使能(通信协议接收使能)控制，将数据和地址发送给对应的通信协议。信号的接收由写时钟和写使能(通信协议发送使能)控制，当非满信号有效时，将接收数据和地址写入RAM中；然后由读时钟和读使能(接收使能)控制，提取数据和地址，执行后续操作。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
FPGA最小系统作为通信模块的核心，分别实现对FlexRay通信控制器芯片和光电转换芯片的控制。FlexRay总线的数据经FPGA处理后通过GTX高速串行收发器发送给光电转换芯片实现FlexRay协议电信号到光信号的转换；光信号经光电转换芯片并由FPGA处理后，通过FlexRay通信控制器下发给总线上的指定终端。实现利用光纤介质实现FlexRay高速总线数据通信的功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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