基于FPGA的可重配置系統(tǒng)在新興汽車標準中的應用

多種新興汽車總線系統(tǒng)可在汽車各個節(jié)點間提供數(shù)據和控制信號，應用涉及從門鎖到極其復雜的多媒體終端等方方面面。對每個總線的需求各不相同，在低端應用需要低成本相對低速率的總線，在高端應用需要為視覺媒體提供高速率實時傳輸。由于難以確定究竟哪種標準會最終勝出，許多汽車OEM都支持多個標準。對設計師而言，這些不確定性會延長開發(fā)周期并可能最終導致失去商機。

本文介紹的基于FPGA的可重配置系統(tǒng)可以在設計后期甚至量產階段通過重新編程以適應標準和協(xié)議的改變?？偩€接口可以以配置IP內核的形式提前進行驗證，這樣可以節(jié)省時間和精力，因而可以縮短產品的面市時間。

圖1：車載網絡系統(tǒng)及其速率。

車載信息娛樂系統(tǒng)和移動信息設備，特別是車載導航系統(tǒng)，需要功能很強的操作系統(tǒng)及互連性。目前，有數(shù)個組織和聯(lián)盟引領著汽車總線的標準化方向，這包括MOST協(xié)作聯(lián)盟、IDB論壇和藍牙SIG等等(圖1)。

面向多媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)

由MOST協(xié)作聯(lián)盟主推的MOST網絡，被用于連接汽車中的多個設備，這些設備包括汽車導航系統(tǒng)、數(shù)字無線電、顯示器、蜂窩電話及DVD。MOST技術已被優(yōu)化為可以使用塑料光纖，支持的數(shù)據傳送率高達24.8Mbps，在設備層具有很高的可靠性和可擴充性，同時還可完全支持實時音頻和壓縮視頻。MOST總線已經被寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、Harman Becker、

OASIS Silicon Systems等公司認可。近期關于MOST項目的一個值得注意的例子是Harman

Becker汽車系統(tǒng)公司將其應用于最新型的BMW 7系列中。

智能傳輸系統(tǒng)數(shù)據總線(IDB)

IDB論壇為那些從事開發(fā)售后市場和便攜式設備的OEM公司推出IDB-C和IDB-1394以及標準的IDB接口?；贑AN總線的IDB-C可應用于數(shù)據率為250Kbps的設備中。IDB-C 的應用包括了在數(shù)字電話、PDA及音頻系統(tǒng)等這些數(shù)字消費設備間建立互連。

IDB-1394(基于IEEE-1394 Firewire)被設計用于高速多媒體應用，這些應用中需要快速傳輸大量信息。IDB-1394是一個采用光纖技術的傳輸速率為400M波特率的網絡。應用場合包括DVD和CD換片機、顯示器、音頻和視頻系統(tǒng)。IDB-1394還允許1394便攜式消費類電子設備與一個車載網絡互聯(lián)并協(xié)同工作。Zayante是一個當前為消費市場提供1394物理層設備的供應商，該公司利用福特汽車公司進行IEEE1394的演示。演示包括把一個數(shù)字視頻攝像機、帶有兩個顯示器的Sony Playstation II游戲機和一臺DVD播放器進行即插即用的互連。

數(shù)字數(shù)據總線(D2B)通訊網絡

數(shù)字數(shù)據總線(D2B)是一個網絡協(xié)議，該協(xié)議用于整合數(shù)字音頻、視頻及其它高數(shù)據率同步、異步信號的多媒體數(shù)據通訊，其數(shù)據傳輸率最高可達11.2Mbps。數(shù)據總線既可以沿非屏蔽雙絞線-叫“靈巧線”建立，也可以通過單根光纖建立。這種通訊網絡由英國的CC公司推廣，并已被美洲虎、梅賽德斯-奔馳等公司所采用。例如，集成多媒體通信系統(tǒng)已被用于美洲虎X型、S型及新的XJ轎車型。

D2B光纖在啟動時自動配置，無論當時有何種設備在線都可適應。這意味著新設備在生命期內可輕易連進網絡。采用D2B光纖多媒體系統(tǒng)的汽車制造商可以發(fā)現(xiàn)該標準涉及的技術都是他們曾了解的。標準具有向后兼容性可確保新產品在整個生命期內都可加入到汽車系統(tǒng)中去。D2B光纖基于一個開放架構，在光纖環(huán)中加一個新設備或新功能時僅做簡單擴展而無需改變電纜配線。總線僅使用一根纜線，一根聚合物光纖或一根銅纜線都可以用以處理車內多媒體數(shù)據或控制信息。這可以提供更好的可靠性，并可以減少外部元件及連接器數(shù)量，還顯著減輕了整個系統(tǒng)的重量。
















圖2：一個通用的車內多媒體設計框圖。

藍牙

藍牙無線技術是一種低成本、低功耗、短距離無線技術，適用于移動設備及WAN/LAN接入點。它是一個計算和無線通訊工業(yè)規(guī)范，描述了如何輕易地將移動電話、PDA和計算機進行互連，并且使用短程無線連接將家庭與商業(yè)電話、計算機進行互連。

舉個例子，駕駛員能夠使用藍牙無線耳機與自己口袋中的蜂窩電話進行通訊。結果是駕駛員的注意力被分散而降低了安全性。汽車業(yè)界已成立了一個特殊興趣小組(SIG)以制定汽車的藍牙草案。這個SIG的成員包括了AMIC、寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、福特、通用、豐田、VW等。

先進的安全系統(tǒng)FlexRay

FlexRay是專門瞄準下一代汽車應用或“線控”應用的新網絡通信系統(tǒng)，線控應用需要高速總線系統(tǒng)，這些高速總線系統(tǒng)必須是確定性、容錯并可以支持分布控制系統(tǒng)。寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、飛利浦半導體、摩托羅拉(半導體業(yè)務現(xiàn)稱為Freescale)以及最新成員博世一起開發(fā)并確立了FlexRay并把它作為下一代應用標準。

FlexRay通信系統(tǒng)更像是一個通信協(xié)議，它包含一個特別設計的高速收發(fā)信機，并定義了FlexRay“節(jié)點”的不同組件間的軟、硬件。FlexRay協(xié)議定義了在聯(lián)網的汽車系統(tǒng)里通信進程的功能和格式。該技術被設計用于滿足關鍵的汽車需求，諸如可靠性、實用性、靈活性以及高數(shù)據率以彌補車內通信標準如CAN、LIN和MOST的不足。
由于汽車電子控制部件(ECU)通信數(shù)據量不斷增加，因此獲得高數(shù)據率至關重要。FlexRay最初目標是數(shù)據率達到10Mbps，不過，現(xiàn)在該協(xié)議也可以達到更高的數(shù)據率。

定時觸發(fā)協(xié)議(TTP)

定時觸發(fā)協(xié)議主要用于那些可靠的和可容錯的實時分布式系統(tǒng)，它確保沒有單個的失效點。TTP是成熟的網絡解決方案。它成本低，并可以應對關鍵的安全應用。TTP因其嚴謹性以及顯而易見的安全性而被多家航空公司采用。TTAGroup是TTP的主管組織，目前成員包括奧迪、PSA、Renault、NEC、TTChip、德爾福和Visteon。

定時觸發(fā)CAN(TTCAN)

常見的CAN網絡中的通信是事件觸發(fā)型的，當同時發(fā)送多個需求信息時會出現(xiàn)高峰負荷(peakload)，CAN的非破壞性無仲裁機制可以保證根據按標示的優(yōu)先級傳輸信息。對實時系統(tǒng)，必須對整個系統(tǒng)做流程分析以確保滿足所有傳輸甚至高峰負荷的最終期限，為了解決這個問題，TTCAN應運而生。


TTCAN是CAN協(xié)議的擴展，它在現(xiàn)有的數(shù)據鏈路層和物理層的頂端有個會話層，該協(xié)議執(zhí)行一種混合的、時間觸發(fā)TDMA流程，它還適用于事件出發(fā)通信。TTCAN有望用于引擎管理系統(tǒng)、傳動和通過線控應用的底盤控制。


FPGA助設計師走出設計困境

可重配置平臺允許設計師在設計流程后期甚至量產中改變系統(tǒng)總線或接口。可重配置系統(tǒng)概念使對不同標準進行嘗試、測試、使用成為可能，并且如果發(fā)現(xiàn)他們和已經安裝在車里的另一個總線接口不匹配，你可以一直嘗試直到找到最好的配置為止。

可編程器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)可以讓設計師控制從原型到量產前以及量產中的所有階段?；贏SIC或ASSP器件沒有這種靈活性和可控制性。PLD可以減緩庫存問題，因為這種通用器件可以用在多個項目上，而ASIC只能用在特定應用上。在使用了可編程器件的部件投入使用以后，甚至可以通過無線通信鏈路進行重配置以使系統(tǒng)升級或增加額外功能。


通過使用IP內核模塊，可重配置硬件平臺可以縮短面市時間，例如，MemecDesign的CAN內核包含完整的數(shù)據鏈路層，其中包括成幀器、收發(fā)控制、糾錯內核設計和柔性接口以獲取每個內部系統(tǒng)的狀態(tài)和幀參考。位速率和子位節(jié)段能重新配置以滿足所連CAN總線的特殊時序要求，錯誤計數(shù)器和錯誤中斷事件會報告錯誤。該內核被設計可提供的總線速率達1Mbps，其最低內核時鐘頻率是8MHz。CAN內核可以在信息濾波器、信息優(yōu)先機制和各種系統(tǒng)功能諸如傳感器/激勵器控制之間提供一個接口。另外，它也可以嵌入到系統(tǒng)應用中作為于微控制器和各種外設功能的接口。

不用使用分立器件，僅把IP內核用于更復雜設計的一部分就可以給CAN或LIN總線提供接口。減少元件數(shù)量可以帶來諸如降低整個系統(tǒng)的成本、降低庫存、提高系統(tǒng)可靠性和減少PCB復雜性和層數(shù)等多方面的好處。如圖2顯示顯示了一個通用的車內多媒體設計框圖，該設計使用了CAN內核、PCMCIA接口、PCL橋接、IDE接口和其他功能，在設計階段這些功能可以修改、變化，也可以根據終端用戶的要求進行修改，通過對系統(tǒng)中的FPGA進行重配置，這個模式還可以擴展到現(xiàn)場修改或升級系統(tǒng)。