滿足安全/帶寬需求的車載網絡設計

汽車內部、汽車與汽車之間以及汽車與基礎設施之間的通信和網絡正在悄然發(fā)生變革。許多重要的設計挑戰(zhàn)得到了成功地解決，例如采用軟硬件方法滿足嚴格的帶寬、容錯、決斷和可靠性要求。事實上，許多硬件和軟件中的通信與控制協議都有了顯著進步。這些協議包括：FlexRay、控制器區(qū)域網 (CAN)、日本汽車軟件平臺和架構(JASPAR)、本地互聯網(LIN)、美國汽車工程師學會(SAE)的J1850、汽車開放系統(tǒng)架構 (AUTOSAR)，媒體導向系統(tǒng)傳輸(MOST)協議和FireWire (1394)標準。MOST協議正在進入越來越多的汽車信息娛樂系統(tǒng)，主要是歐洲產的汽車中。目前MOST還沒有得到普及，但豐田的Prius汽車正在使用25MBps版本的MOST。用于150Mbps網絡的MOST規(guī)范版本3有望不久后發(fā)布。

對于車身、傳動系統(tǒng)、底盤和其它控制來說，沒有一種協議和架構可以被認為是“十全十美”的解決方案。通常情況下，組合和改進這些方案對提供靈活性和滿足汽車控制與通信需求非常有用。例如，JASPAR最近被用于新一代車載網絡的新版FlexRay所采用。FlexRay聯盟準備在FlexRay協議規(guī)范V3.0和物理層規(guī)范V3.0的主要修改點中采納JASPAR技術建議，這些規(guī)范將在2009/2010時間段內發(fā)布。

FlexRay一直被用作汽車應用中的主要骨干網(圖1)。德國和日本的OEM商已經決定在他們的車載網絡中采用FlexRay。全球首款商用化FlexRay的汽車是寶馬的旗艦X5運動型多功能車(SUV)和7系車。

圖1：FlexRay車載網絡協議可以用作CAN、LIN和MOST等其它網絡的骨干網，實現車載控制和信息娛樂應用。

FlexRay定義了一種雙通道的10Mbps數據結構。每個通道可以用來獨立地實現冗余機制，匯聚數據速率可達20Mbps。FlexRay聯盟的核心成員包括寶馬、通用汽車、大眾、戴姆勒克萊斯勒、博世、飛思卡爾半導體和恩智浦半導體(NXP Semiconductors，下文簡稱NXP)等。他們希望FlexRay能成為先進的傳動系統(tǒng)、底盤和線傳控制汽車系統(tǒng)的標準，即便它的成本比目前到廣泛使用的1Mbps CAN協議高得多。大多數成員認為FlexRay將與其它協議共存，而不會替代它們。

“FlexRay最初是專門針對容錯和冗余設計的，現在它也正被用來在提高帶寬，特別在可以利用CAN等其他網絡實現更高帶寬的地方。”NEC電子美國公司汽車策略業(yè)務部首席技術應用工程師Jens Eltze表示。

“一些汽車制造商不太愿意采用基于FlexRay、FireWire等新技術的標準。在其他公司加入進來之前，他們不想冒可能成功也可能不成功的風險。”NEC電子美國公司汽車策略業(yè)務部營銷經理Dave Stone表示。

圖2：恩智浦半導體公司的TJA1080A FlexRay收發(fā)器是首個在車載網絡方面得到認證的節(jié)點收發(fā)器(a)，它已經被集成到TJA1081/1082 IC中(b)。

減少FlexRay和CAN的成本差異

一些IC芯片制造商試圖縮小FlexRay和CAN之間的成本差異。奧地利微電子(AMS)公司和TTTech汽車公司正在合作開發(fā)低成本的FlexRay收發(fā)器件。他們計劃進一步增強研發(fā)力量，開發(fā)FlexRay車載網絡節(jié)點。

他們合作的目標是提高車內數據通信的可靠性并降低成本，例如優(yōu)化的FlexRay拓撲可以集成大量的節(jié)點。此外，這兩家公司設計了一個位整形器電路，可以讓汽車OEM商和一流供應商通過采用更低成本的配線類型，降低電纜成本。這兩家公司還計劃合作開發(fā)針對FlexRay芯片的測試流程。

“FlexRay芯片的價格肯定會降下來，以縮小FlexRay和CAN實現之間的巨大成本差異。”NXP業(yè)務線汽車安全與舒適事業(yè)部高級總監(jiān)和總經理Toni Versluij指出。

NXP在2006年推出首個FlexRay收發(fā)器芯片TJA 1080A，緊接著推出了TJA1081和TFA1082節(jié)點收發(fā)器，此外還提供TJA1085有源星型耦合器。NXP至今已經交付了100萬個符合物理層規(guī)范的FlexRay收發(fā)器。十多年來，該公司已是FlexRay芯片以及CAN和LIN器件的領先供應商。

“在今后十年中，CAN將是車載網絡節(jié)點的首選。”Versluij認為(圖3)。他指出，雖然具有雙通道的FlexRay最初是為需要冗余功能的線傳控制應用設計的，但大多數汽車應用使用CAN就能處理的單通道拓撲。CAN采用SAE的J1850總線工作，后者被廣泛用于車載故障診斷(OBD)II。

圖3：今后幾年里恩智浦半導體公司車載網絡節(jié)點的市場份額有望不斷增長，其中CAN將接管大多數節(jié)點應用。

Versluij還指出，FlexRay在元器件級別的實現成本要超過CAN。“但在系統(tǒng)級，情況則不一樣。” Mentor Graphics的系統(tǒng)工程事業(yè)部的總經理Serg Leef認為，“CAN在帶寬和可靠性方面具有很大的局限性。為對此進行補償，工程師在設計網絡時只使用總帶寬的很少一部分，以便提高消息能及時到達的可能性，但這也降低了CAN的性價比。”

NEC電子美國公司等IC制造商正在繼續(xù)更新其智能傳感器和高級控制器的汽車產品線，以支持所有的流行的車載網絡，如FlexRay、CAN、LIN、MOST、USB和以太網。德州儀器(TI)公司也提供支持FlexRay、CAN和LIN的芯片。

“我們?yōu)檫@些網絡提供集成在收發(fā)器內的標準單元和內核。”TI公司模擬/混合信號部門的系統(tǒng)工程師Scott Monroe表示。他指出，雖然CAN在車內的用量有很大增長，但需要將那些非緊急的CAN節(jié)點與安全關鍵性節(jié)點分開。

MCU也被大量用于FlexRay網絡。飛思卡爾半導體的S12XF MCU就是一個例子。這個MCU包含了集成式FlexRay技術。Adura Systems公司在模塊化電子可擴展架構(MESA)傳動系統(tǒng)中選用了這款IC。MESA傳動系統(tǒng)提供高達100英里的純電動汽車驅動技術。

汽車內的MCU(經常被用作電子控制單元(ECU))的數量越來越多，這不僅增加了成本，而且這些MCU提供的過多控制功能不斷增加了復雜性。今后的發(fā)展趨勢是采用模塊化的控制單元，每個模塊控制車載網絡中汽車功能的一個特定子集。設計師正在試圖將車內典型的35至40個MCU(有的車型甚至有多達100個 MCU)精簡到20至25個集成相同功能的單元。然而，對那些具有許多ECU的高級設計來說，CAN可能會達到其極限。

對汽車來說高等級的決斷和實時響應需求非常關鍵。告警系統(tǒng)問題是在檢測往前開的汽車在直行或變更車道時是否在車道內或車道外時發(fā)生的。汽車防撞告警系統(tǒng)必須能在高速條件下實時工作，并使用多個低成本傳感器測量復雜的三維場景。

種類繁多的CAN

市場上有許多版本的CAN協議。CAN在車上的使用最早可追溯到1994年。最流行的三種版本分別是容錯CAN(FT-CAN)、高速CAN(HS CAN)和單線CAN(SW-CAN)。所有CAN都用于車門、天窗、儀表板、溫度控制等自動車身控制功能。HS-CAN還用于傳動系應用，包括引擎、傳動和變速箱以及防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)。

另外一種CAN是時間觸發(fā)式CAN(TT-CAN)。然而，許多人對TT-CAN抱懷疑態(tài)度，主要原因是TT-CAN線纜長度很有限。帶寬在1Mbps時最大長度只有40米，因此只能局限于短距離應用。

“當你忽略CAN協議的優(yōu)點而把它用于較長的線路長度時，那它就不是CAN了。”CAN協議最早開發(fā)人員之一、CC Group公司首席執(zhí)行官Wolfhard Lawrence表示。目前他專業(yè)從事汽車軟件、系統(tǒng)和網絡的測試工作。

CAN協議具有較大而且可變的抖動。為了使TT-CAN更可預測和更加可靠，美國凱特靈大學的研究人員Juan R.Pimentel和Mentor Graphics公司的Jason Paskvan做了各種試驗，以表征基于實際CAN的通信架構中的抖動特性。他們提出了一種更具確定性的FlexCAN，這是一種用于線傳控制應用的拓撲，不會降低靈活性(圖4)。

圖4：FlexCAN是一種用于線傳控制應用的拓撲，不會降低靈活性。

尋找最佳平衡點

Delphi公司的B.Perry Compton提出了一種串行通信協議，這種協能夠在CAN和FlexRay之間達到開銷、復雜性、吞吐量、成本和實時性能的最佳平衡。Compton將他的協議稱為“Goldilocks”,并指出，這不是單個協議，而是基于單個消息調度原理的協議集(圖5)。

圖5：Goldilocks控制器試圖在開銷、復雜性、吞吐量、成本和實時性能之間取得最佳“平衡點”。Goldilocks后向兼容CAN車載網絡協議，在性能和功能方面與FlexRay車載網絡協議相比極具競爭力。(來源：Dephi Automotive公司)

Goldilocks與CAN的優(yōu)先級仲裁是一致的，但它基于DMA原理執(zhí)行調度和離線仿真。另外，它不限制仲裁總線速度。

在低成本方面，LIN總線為車載網絡應用提供每節(jié)點最低的成本。這種串行總線能以最快19,200波特的速度實現智能傳感器和激勵器的互連，線纜長度最長達40米。LIN也常被用作CAN子總線。

Atmel公司提供第二代系列高集成度LIN系統(tǒng)基礎芯片。這些芯片具有6kV靜電放電(ESD)保護和增強的電磁干擾(EMI)性能，所帶的LIN收發(fā)器內置了輸出電壓為3.3/5V的穩(wěn)壓器。另外，Atmel公司還將推出同時內置穩(wěn)壓器和看門狗定時器的芯片。

俄羅斯公司Finprom Resouce將MSP LIN技術用于奧迪A6的汽車座位控制。據該公司介紹，這種技術可以提供最佳的經濟、靈活和功能組合。

Finprom還為自適應車輛系統(tǒng)提供AVAS數字化車輛控制技術。這種技術基于相同的電子元件、公共通道和通信協議，將汽車通信通道中的信息密度提高到97%，并將通道內的服務信息共享降低了3%。AVAS技術采用標準電源線進行通信，兼容CAN和LIN拓撲。

軟件是關鍵

鑒于車內大量控制器件、激勵器、傳感器和互連線帶來的復雜性，軟件成為車載網絡設計中的關鍵部分就毫不奇怪了。Vector CANtech公司總裁Bruce D.Emaus指出，汽車嵌入式軟件的規(guī)模非常龐大，今天的高端汽車要求上百兆字節(jié)的軟件代碼。

Emaus表示，他們遵循AUTOSAR等開放軟件標準，因此能夠保證軟件代碼的可復用性、軟件開發(fā)成本的降低和可移植性。Robert Bosch LLC公司提供的汽車產品也支持AUTOSAR，并希望這個標準能成為全球標準。

AUTOSAR等軟件對車輛之間以及車輛與基礎設施之間通信的影響將越來越大。Emaus指出，用戶功能要求、政府條例要求、網絡中使用車輛復用、通信協議、所使用的OEM特殊網絡運作策略都在不斷增加，并且系統(tǒng)架構種類也在增加，特別是在使用了線傳控制子系統(tǒng)的情況下。所有這些意味著軟件增長的強烈勢頭。

“汽車就像蜂窩電話一樣，”Continental Automotive Systems公司連接業(yè)務部執(zhí)行副總裁Kieran O’Sullivan表示，“它們將變成更寬網絡上的一個節(jié)點。”

NEC電子美國公司計劃為其32位V850系列MCU以及帶嵌入式FlexRay控制器的V850E/PH03 MCU，開發(fā)AUTOSAR兼容的MCAL微控制器驅動程序。該公司就這一項目正在與ETAS和KPIT Cummins Infosystems展開合作。

Mentor Graphics公司展示了首個針對AUTOSAR的支持工具。這個名為Volcano車輛系統(tǒng)架構(VSA)的工具還支持針對FlexRay、CAN和 LIN的嵌入式軟件設計。Volcano的模型驅動設計流程可以幫助用戶減少設計汽車元件、嵌入式軟件和網絡中采用的下行數據驗證和物理原型創(chuàng)建的工作量。用戶可以在軟件編程流程之前進行關鍵的設計決策和驗證，從而縮短產品的上市時間。

Vector Informatik公司推出了一種用于消息類總線通信系統(tǒng)的數據交換格式，稱為現場總線交換格式(FIBEX)，用于幫助AUTOSAR軟件的開發(fā)。這種格式以XML為基礎，包含了描述整個車載網絡所需的所有信息。這些信息包括網絡拓撲、配置參數、調度、幀、信號及其位級的編碼。FIBEX已經成為 FlexRay總線系統(tǒng)的一種標準。

Vector Informatik還與The MathWorks公司合作使其設計工具與AUTOSAR應用程序具有互操作性。用戶可以在Vector Informatik公司用于AUTOSAR的Davinci Developer中定義元件架構，然后將元件導出到the MathWorks公司的Simulink中去。

一些領先汽車制造商和公司，如豐田、Denso、摩托羅拉和Delphi，在使用The MathWorks的軟件產品來改進設計，并實現高度復雜和集成的車載網絡系統(tǒng)。這是因為它們能創(chuàng)建一個公共平臺用于共享系統(tǒng)規(guī)范和開發(fā)思想，這樣的網絡系統(tǒng)包括AUTOSAR、FlexRay、CAN和LIN。

支持AUTOSAR的另一家公司是提供開發(fā)工具的dSPACE公司。它在SystemDesk版本2.0中增加了一個支持AUTOSAR版本2.1和3.0的仿真模塊。利用這一模塊，用戶可以仿真復雜大規(guī)模ECU網絡中的單獨軟件模塊，并驗證所有軟件模塊間的交互。

Synopsys公司提供的Saber開發(fā)環(huán)境可用于確保信號完整性的車載網絡仿真和分析。Synopsys公司技術營銷負責人Thorsten Gerke表示，許多車載網絡元件和網絡版圖會影響信號完整性，包括電感、變阻器、電纜類型和長度以及電纜終端。