FlexRay在高速汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用 - 全文

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　　FlexRay實現(xiàn)的初期功能是邁向全自動無人駕駛(或近乎全自動駕駛)的第一步。雖然最早的設(shè)想是實現(xiàn)汽車線控(X-by-wire)(線控驅(qū)動、線控駕駛等)，然而其他發(fā)展趨勢也在推動FlexRay技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。主要表現(xiàn)在生產(chǎn)效率、安全法規(guī)要求愈來愈高，各種舒適便利功能日趨增多。

　　同時，這些發(fā)展趨勢也對電子控制架構(gòu)和汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能提出了更高的要求。簡單地說，將來的汽車將需要更高帶寬的總線，及確保迅速響應(yīng)緊急任務(wù)的確定性協(xié)議。

　　FlexRay的10Mbps帶寬、內(nèi)置容錯功能和確定性正是針對這些需求而設(shè)計的。FlexRay還能夠兼容多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并具有可擴(kuò)展性來應(yīng)對新的工程挑戰(zhàn)。

　　未來業(yè)界已采用了十幾年的CAN和LIN總線仍能勝任自己的工作。事實上，采用FlexRay未必會對LIN應(yīng)用(如雨刷和電控車窗)產(chǎn)生太大的影響。因為這些都僅限于局部控制，無需與汽車其余部件進(jìn)行大量通信，而且只需要很低的數(shù)據(jù)帶寬。

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　　圖：FlexRay的設(shè)計支持多個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　CAN也注定會在將來的汽車控制架構(gòu)中扮演重要的角色。雖然CAN無法滿足現(xiàn)代汽車對總帶寬的要求，但靈活的工程設(shè)計至少會暫時提供符合實際的解決方案。

　　這些解決方案包括多個互連的CAN網(wǎng)絡(luò)，通過劃分網(wǎng)絡(luò)來滿足帶寬要求，同時避免將所有數(shù)據(jù)都放在同一條總線上。這項經(jīng)驗證和路測的技術(shù)對CAN特別有益。在高度注重安全的汽車行業(yè)，其設(shè)計變化需要規(guī)劃到將來的數(shù)十年，這確實是個優(yōu)勢。

　　寶馬采用FlexRay進(jìn)行減震控制就是一個很容易理解的例子，該功能本可以由CAN來實現(xiàn)。采用FlexRay直接替換CAN，弄清楚了新技術(shù)如何在現(xiàn)實生活中應(yīng)用，就能明白其出眾的性能。

　　不過逐步采用FlexRay是肯定無疑的，因為FlexRay能夠全面降低復(fù)雜性，并可提供更經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。從長遠(yuǎn)來看，其10Mbps帶寬和內(nèi)置容錯功能，可以為將來的汽車提供最有效的一流解決方案。

　　減少復(fù)雜性，實現(xiàn)更多溝通

　　隨著汽車中增強(qiáng)安全和舒適體驗的功能越來越多，實現(xiàn)這些功能的電子控制單元(ECU)的數(shù)量也在持續(xù)上升。如今高端汽車有100多個ECU，如果不采用新架構(gòu)，該數(shù)字可能還會增長。ECU操作和眾多CAN總線之間的協(xié)調(diào)配合日益復(fù)雜，嚴(yán)重阻礙線控(X-by-wire)的發(fā)展。即使可以解決復(fù)雜性問題，CAN也缺乏線控所必需的確定性和容錯功能。

　　復(fù)雜性問題已引起工程設(shè)計領(lǐng)域的強(qiáng)烈關(guān)注，不僅要簡化汽車制造流程，還需降低整個子系統(tǒng)的成本。實現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳途徑就是減少ECU數(shù)量。當(dāng)然，這也意味著那些剩下的ECU需要提供更多的服務(wù)和擁有更強(qiáng)的性能。同時，由于要與其他ECU更頻繁地通信，所以對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求更高，這對安全系統(tǒng)而言尤其重要。

　　為了使FlexRay硅開發(fā)駛?cè)肟燔嚨?，飛利浦半導(dǎo)體公司和飛思卡爾半導(dǎo)體公司已同意交換FlexRay知識產(chǎn)權(quán)。交換知識產(chǎn)權(quán)將促使這兩家公司的FlexRay控制器和微控制器采用共同的FlexRay協(xié)議引擎設(shè)計，以確保FlexRay設(shè)備間的互操作性。正是這種合作將促使FlexRay技術(shù)迅速的應(yīng)用到汽車當(dāng)中。

　　靈活的架構(gòu)

　　FlexRay在試驗階段后又將如何實施呢?圖1所示為高級汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲蠪lexRay的應(yīng)用示例。

　　FlexRay可以應(yīng)用在無源總線和星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也可以應(yīng)用在兩者的組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。這兩種拓?fù)渚С蛛p通道ECU，這種ECU集成多個系統(tǒng)級功能，以節(jié)約生產(chǎn)成本并降低復(fù)雜性。圖1所示的雙通道架構(gòu)提供冗余功能，并使可用帶寬翻了一番。每個通道的最大數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到10Mbps。

　　無源總線拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢在于，采用設(shè)計工程師熟悉的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因而有效控制成本。在需要更高帶寬、更短延遲時間或確定性行為，而同時容錯功能并非必需的情況下，這種無源總線拓?fù)浞浅Ｓ杏?。典型的?yīng)用領(lǐng)域就是直接替換CAN以滿足帶寬要求。

　　而使用星型拓?fù)鋮s可完全解決容錯問題，因為如果出現(xiàn)意外情況，星型的支路可以有選擇的切斷。如果無源總線線纜長度超過規(guī)定限制，星型拓?fù)溥€可以用作復(fù)制器。

　　除了其拓?fù)涞撵`活性以外，F(xiàn)lexRay尚有許多其他協(xié)議無法比擬的優(yōu)勢。它同時支持時間觸發(fā)(確定性)通信和事件觸發(fā)通信，如啟動制動順序(braking sequence)。

　　FlexRay還支持總線間的多種消息傳遞架構(gòu)。隨著FlexRay在汽車上的廣泛使用以及網(wǎng)絡(luò)日益統(tǒng)一，這項功能將越發(fā)重要。例如，若干家汽車制造商已經(jīng)實施或提議采用一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不管采用何種通信協(xié)議，所有通信通過一個網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。為了跨越協(xié)議邊界通信，要求網(wǎng)絡(luò)支持多個消息傳遞選項。

　　硅技術(shù)實現(xiàn)

　　作為汽車控制架構(gòu)中日益重要的組成部分，F(xiàn)lexRay技術(shù)為半導(dǎo)體公司開辟了一個嶄新的市場。當(dāng)然，具備性能更優(yōu)、帶寬更高的芯片是必需的，但半導(dǎo)體公司也必須及時作出重要的戰(zhàn)略決策。為爭奪FlexRay市場份額，芯片公司必須做出決定，是擴(kuò)展現(xiàn)有芯片(大部分可能為支持CAN而設(shè)計)的性能，還是遵循平臺策略，以創(chuàng)建真正專用的FlexRay系列芯片。

　　基本上有兩個硅組件必需要考慮，即收發(fā)器和邏輯電路，前者在總線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而后者則包括基本的微控制器功能及專門針對FlexRay的通信控制。

　　在過去，收發(fā)器通常相對比較簡單，但是，F(xiàn)lexRay拓?fù)涞撵`活性及實現(xiàn)事件觸發(fā)或時間觸發(fā)的操作模式對收發(fā)器意義重大。下面列舉其中一部分：

　　10Mbps的數(shù)據(jù)處理速率;

　　支持FlexRay節(jié)點(diǎn)和有源星型拓?fù)?

　　提供電源管理功能，提高ECU效率;

　　為時間驅(qū)動和事件驅(qū)動模式集成兩個專用的控制輸入;

　　支持本地和遠(yuǎn)程喚醒功能;

　　提供錯誤檢測;

　　符合汽車行業(yè)的嚴(yán)格規(guī)范要求(例如ESD和EMC領(lǐng)域，同時涉及上述各個方面)。

　　集成化解決方案

　　在收發(fā)器和微控制器實現(xiàn)的基本控制功能之間，是專門針對通信和FlexRay協(xié)議的控制功能。實現(xiàn)該功能的方法有兩個，其一是單獨(dú)在通信控制器IC上實現(xiàn)，另一是將其集成到MCU架構(gòu)中，但這要求采用FlexRay的平臺策略。

　　后者在性能、可靠性和成本方面都有優(yōu)勢。將MCU和通信控制器集成到一塊芯片上，可減少部件數(shù)量，降低組件成本并縮短工程設(shè)計時間，而且還有允許內(nèi)存共享等其他優(yōu)勢。當(dāng)微控制器和通信控制不要求單獨(dú)的內(nèi)存時，設(shè)計者甚至可以在降低系統(tǒng)成本的同時，在芯片上實現(xiàn)更多的性能。將FlexRay控制器集成到MCU架構(gòu)的另一個優(yōu)勢是可以在硬件或軟件上實現(xiàn)分區(qū)。這使FlexRay真正實現(xiàn)靈活性和可擴(kuò)展性。

　　汽車行業(yè)決定起草FlexRay標(biāo)準(zhǔn)時采用一種靈活的方法，這對實現(xiàn)FlexRay MCU硅片具有重要意義。

　　首先，要求具有相當(dāng)大的計算能力。當(dāng)今汽車應(yīng)用中常用的大多數(shù)8位或16位MCU最終都將被淘汰，32位MCU架構(gòu)會比較合適。

　　如上所述，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)在可預(yù)見的將來并不統(tǒng)一。因此，除了支持FlexRay v2.1規(guī)范以外，最適合網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的MCU必須集成多個LIN 2.0和CAN 2.0B控制器，并為媒體定向系統(tǒng)傳輸(MOST)總線和以太網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

　　隨著汽車越來越多地使用電子設(shè)備和軟件來體現(xiàn)產(chǎn)品差異，省電也相當(dāng)重要。可以通過提供各種電源模式或選擇性地開關(guān)外圍設(shè)備，將能耗調(diào)整到實際需要的MCU成為首選，因為將來內(nèi)存需求還會增加，從組件成本及性能角度考慮，統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)更為重要。

　　飛利浦SJA2510 FlexRay微控制器擁用32位ARM968E核心，最高頻率可達(dá)80MHz;一個完整集成FlexRay v2.1的雙通道控制器，六個CAN控制器，八個LIN主控制器和多種高級電源模式。

　　此外，該公司的TJA1080 FlexRay收發(fā)器也與上述收發(fā)器特征相當(dāng)匹配。TJA1080是唯一可以同時以無源總線模式和星型模式操作的收發(fā)器。

　　嚴(yán)格的規(guī)范已準(zhǔn)備就緒，一些基于FlexRay的系統(tǒng)也即將部署，因此，汽車和半導(dǎo)體公司都在考慮線控技術(shù)。安全性是部署線控時的首要考慮因素，F(xiàn)lexRay的規(guī)范將包括一個監(jiān)控總線訪問的總線監(jiān)控器，這樣在傳輸過程中就不會丟失或損壞數(shù)據(jù)。

　　FlexRay聯(lián)盟仍在定義總線監(jiān)控器的概念。中央總線監(jiān)控器和分布式總線監(jiān)控器概念也在考慮中。規(guī)范完成后，會在硅上實現(xiàn)該概念，但預(yù)期于2006年實施的FlexRay應(yīng)用將不需要總線監(jiān)控器。同時，我們將會看到，由FlexRay實現(xiàn)的便利性、控制和安全功能會越來越多。當(dāng)線控時代到來時，F(xiàn)lexRay將是一項經(jīng)過充分測試及實際驗證的較為成熟的技術(shù)。