通過A2B更新軟件—A2B如何給汽車應(yīng)用中的SOTA帶來變革

Joe Triggs, Jagannath Rotti, Karthik Radhakrishna, 和 Danny Ko

無線軟件升級(SOTA)正迅速成為汽車OEM須開發(fā)和部署的重要能力。更新模塊、支持客戶、和通過附加特性帶來利潤的能力，使得掌握SOTA成為一個(gè)有吸引力的主張。本文討論SOTA為何出現(xiàn)在汽車環(huán)境中，如何部署SOTA，以及如何使用A2B?技術(shù)在音頻和信息娛樂網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)SOTA。

簡介

如果消費(fèi)者要對其物品的軟件復(fù)雜度進(jìn)行排名，那么排在首位的是什么？筆記本電腦？智能手機(jī)？游戲機(jī)？事實(shí)可能讓人大吃一驚——停在車道上的車輛的軟件復(fù)雜度很可能要比上述任何設(shè)備高出一個(gè)數(shù)量級。目前汽車平均擁有多達(dá)150個(gè)電子控制單元(ECU)，運(yùn)行著多達(dá)1億行代碼。相比之下，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)的代碼不到2500萬行，Android操作系統(tǒng)不到1500萬行代碼，谷歌瀏覽器不到1000萬行代碼。1

隨著汽車應(yīng)用中軟件的大量出現(xiàn)，需要一種管理和控制整個(gè)車輛中存在的無數(shù)軟件版本的方法。SOTA更新能為汽車制造商或OEM帶來很多好處，從修復(fù)輕微的車輛問題到應(yīng)對自然災(zāi)害等不一而足。2017年9月，特斯拉展示了SOTA更新最受廣泛認(rèn)可的應(yīng)用之一，以應(yīng)對颶風(fēng)艾爾瑪。當(dāng)時(shí)，風(fēng)暴席卷美國佛羅里達(dá)州，特斯拉通過發(fā)布SOTA更新來響應(yīng)客戶請求，解鎖車輛的額外續(xù)航里程以幫助車主行駛到安全地方，擺脫即將到來的颶風(fēng)。2其他OEM廠商如在運(yùn)用車輛的SOTA能力方面存在差距，就會(huì)導(dǎo)致聲譽(yù)受損和消費(fèi)者信心丟失。

車輛電氣化和汽車自動(dòng)駕駛等新興大趨勢，造成車輛中的ECU數(shù)量和代碼行數(shù)進(jìn)一步增加，確保車輛每個(gè)領(lǐng)域都有穩(wěn)健有效的SOTA能力的重要性隨之不斷提高。

自從1977年Oldsmobile Toronado首次使用微控制器控制點(diǎn)火時(shí)序以來，ECU便一直是汽車版圖的一部分。3 軟件更新的早期實(shí)現(xiàn)方式要求從車輛中拆下ECU以重新編程，這是一個(gè)耗時(shí)費(fèi)力的過程。從發(fā)動(dòng)機(jī)艙卸下發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可能很簡單。但是，拆卸無線電音響主機(jī)可能需要拆除儀表板、中控臺(tái)和其他裝飾，工作量相當(dāng)大。從車輛中拆下之后，早期ECU需要使用復(fù)雜的工具重新編程，例如針床編程器，這些工具既昂貴又復(fù)雜，而且偶爾還會(huì)不穩(wěn)定。所有這些因素結(jié)合起來，使得早期ECU的軟件更新不是一個(gè)有吸引力的選擇，不如直接更換模塊。

無線更新軟件

SOTA是汽車行業(yè)軟件更新發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它將早期ECU變成今天的高度網(wǎng)絡(luò)化且靈活的汽車基礎(chǔ)設(shè)施。車內(nèi)原位更新ECU的能力不僅具有吸引力，而且成為汽車OEM的越來越重要的能力。我們已經(jīng)了解了OEM可以使用SOTA敏捷地響應(yīng)客戶需求，提供潛在的救生功能。SOTA最明顯的使用場景之一是允許OEM在需要時(shí)解決車輛中的關(guān)鍵軟件問題。這是一種非常強(qiáng)大的能力，因?yàn)樗苊馊ボ浖嚓P(guān)的車輛召回，從而提高消費(fèi)者的使用體驗(yàn)，并降低OEM的召回成本。不需要車輛到店，以受控方式應(yīng)用軟件更新的能力，可為OEM創(chuàng)造巨大價(jià)值。

SOTA具有簡化車輛生命周期的許多其他要素的潛力，而不僅僅是精簡軟件召回管理流程。生產(chǎn)過程中可以使用SOTA來確保車輛固件正確，然后才完成車輛并交付運(yùn)輸。車輛的運(yùn)輸時(shí)間從幾天（例如OEM國內(nèi)市場）到幾周（例如國外市場）不等，在車輛到達(dá)目的地市場時(shí)，需要進(jìn)行軟件更新的可能性是相當(dāng)大的。在交付前檢查(PDI)時(shí)、在接收港口或經(jīng)銷商處高效更新車輛ECU的能力，可確保車輛交付到新車主手中時(shí)按預(yù)期運(yùn)行。這對處于生命周期早期的車型特別有價(jià)值，因?yàn)檐囆驮缙诳赡軙?huì)經(jīng)歷頻繁的軟件更新。

SOTA還可能有進(jìn)一步的機(jī)會(huì)，契機(jī)是OEM尋求為消費(fèi)者提供臨時(shí)或永久解鎖車輛附加特性的能力。以信息娛樂系統(tǒng)為例，OEM未來可以為客戶提供升級車輛中正在運(yùn)行的軟件的能力，具體取決于客戶的需求。對于日常駕駛，要在通勤期間收聽廣播或撥打免提電話，標(biāo)準(zhǔn)音頻配置可能就足夠了。對于長途旅行或度假，OEM可以提供升級到高清音頻或音頻處理算法的選項(xiàng)，以優(yōu)化車輛內(nèi)的聲音分布。SOTA可以用來方便地支持這種升級，交易發(fā)生后幾分鐘內(nèi)就能實(shí)施，這有可能為OEM帶來可觀的額外收入流。

SOTA考慮因素

OEM考慮在車輛中實(shí)現(xiàn)SOTA之前，必須考察幾個(gè)系統(tǒng)特征，例如：需要多少帶寬，如何協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，以及安全性是否有必要。

為了確定SOTA解決方案提供的帶寬，必須知道典型的軟件更新文件大小以及可用來在網(wǎng)絡(luò)上傳輸軟件更新的時(shí)間。雖然很多軟件下載是以增量格式提供的，其中只包含需要更改的軟件組件，但文件大小仍可能在數(shù)十MB的范圍內(nèi)。如果可用帶寬在KB范圍內(nèi)，則下載軟件更新可能需要數(shù)十分鐘，而不是服務(wù)環(huán)境下更為實(shí)際的幾分鐘或幾秒鐘。

傳輸協(xié)調(diào)考慮包括確保通過網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸信息涉及的協(xié)議方面：握手、錯(cuò)誤檢測和糾錯(cuò)。握手是SOTA節(jié)點(diǎn)協(xié)商和確認(rèn)通過鏈路傳輸數(shù)據(jù)的過程——例如，確保每個(gè)傳輸塊成功完成后才傳輸下一塊。錯(cuò)誤檢測是SOTA節(jié)點(diǎn)監(jiān)視鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以識(shí)別傳輸中是否發(fā)生錯(cuò)誤的過程。例如，在來源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中計(jì)算的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)值常用于實(shí)現(xiàn)此類要求。糾錯(cuò)是SOTA 節(jié)點(diǎn)響應(yīng)錯(cuò)誤狀況并在可能的情況下從中恢復(fù)的過程。有多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)——從重新請求來源節(jié)點(diǎn)重新傳輸接收出錯(cuò)的數(shù)據(jù)塊，到使用前向糾錯(cuò)(FEC)等方案來修復(fù)損壞的數(shù)據(jù)。

根據(jù)SOTA解決方案提供的帶寬和傳輸協(xié)調(diào)要求，可能需要在不同的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和傳輸協(xié)調(diào)。這通常不是問題，因?yàn)槠嘐CU通常具有多個(gè)不同負(fù)載的通信接口（A2B、CAN、LIN、CXPI、以太網(wǎng)、FlexRay等）。然而，如果可能的話，在同一鏈路上同時(shí)容納數(shù)據(jù)傳輸和傳輸協(xié)調(diào)顯然更可取。

汽車網(wǎng)絡(luò)安全漏洞的后果已經(jīng)在多個(gè)場合被曝光，白帽黑客控制車輛網(wǎng)絡(luò)后，通過執(zhí)行雨刷、音響甚至制動(dòng)等功能展示了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。這些漏洞可能會(huì)對車輛乘員和其他道路使用者的安全造成災(zāi)難性的影響。OEM必須采取措施確保對所有車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳矸蒡?yàn)證，以防止未經(jīng)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)或用戶獲得訪問權(quán)限。

已經(jīng)提到的許多成熟汽車網(wǎng)絡(luò)都適用于SOTA架構(gòu)，例如CAN或以太網(wǎng)。近年來，ADI公司的A2B已成為解決日益復(fù)雜的音頻需求的當(dāng)然選擇。A2B相比其他連接解決方案擁有顯著的音頻帶寬優(yōu)勢，而且還提供數(shù)據(jù)傳輸能力，使得OEM有機(jī)會(huì)將SOTA能力整合到其音頻網(wǎng)絡(luò)中，而無需額外的硬件。

A2B 概述

A2B 是一種高帶寬雙向數(shù)字總線，最初用于解決汽車應(yīng)用中出現(xiàn)的音頻分配挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的汽車音頻架構(gòu)通常涉及音響主機(jī)、放大器、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的多個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)模擬連接。A2B解決了許多與點(diǎn)對點(diǎn)模擬連接相關(guān)的挑戰(zhàn)，包括電纜重量、電纜成本、布線難題，以及多個(gè)連接的可靠性問題。A2B有助于通過非屏蔽雙絞線(UTP)電纜和連接器，在分布式多節(jié)點(diǎn)音頻系統(tǒng)中傳輸完全同步的音頻數(shù)據(jù)(I2S/TDM/PDM)和控制數(shù)據(jù)(I2C/SPI)。

A2B技術(shù)可提供50Mbps的總線帶寬，上下行支持最多32個(gè)音頻通道。A2B具有小于50 μs的確定性延遲，這使其成為延遲敏感型應(yīng)用的非常有吸引力的解決方案，例如主動(dòng)降噪(ANC)、路噪降噪(RNC)、回聲消除和降噪(AEC-NR)、波束成型(BF)等。

A2B支持多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如點(diǎn)對點(diǎn)、菊花鏈和分支，因而它適合廣泛的汽車應(yīng)用——從具有音響主機(jī)和麥克風(fēng)模塊的入門級信息娛樂系統(tǒng)，到更復(fù)雜的音頻系統(tǒng)，例如兼具ECU、多個(gè)麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和加速度計(jì)的RNC。

A2B網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和最多16個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間的最大電纜長度為15 m，主節(jié)點(diǎn)和最終子節(jié)點(diǎn)之間的最大電纜長度為80 m（包括分支）。主節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)連接到主機(jī)處理器的A2B收發(fā)器，它能將音頻、控制數(shù)據(jù)和I2C/SPI數(shù)據(jù)發(fā)送到A2B音頻總線上。子節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度不一，復(fù)雜的如具有強(qiáng)大處理能力的音頻功放，簡單的如麥克風(fēng)節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)中的A2B收發(fā)器與各種外設(shè)接口，例如麥克風(fēng)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、揚(yáng)聲器、傳感器（如加速度計(jì)）或D類放大器。

主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)收發(fā)器器件支持多種增值功能，例如時(shí)分復(fù)用(TDM)和脈沖密度調(diào)制(PDM)麥克風(fēng)輸入。A2B收發(fā)器的低成本衍生產(chǎn)品具有優(yōu)化的特性組合，例如末端點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)收發(fā)器（不支持TDM）和優(yōu)化的主節(jié)點(diǎn)收發(fā)器（電纜長度更短、子節(jié)點(diǎn)更少）。

除了支持本地供電的A2B節(jié)點(diǎn)外，A2B還提供總線供電，以便為具有挑戰(zhàn)性的音頻系統(tǒng)架構(gòu)（例如有源遠(yuǎn)程調(diào)諧器）和創(chuàng)新的音頻特性（例如支持D類的頭枕揚(yáng)聲器）提供便利。最新一代A2B收發(fā)器 (AD243x) 能夠支持標(biāo)準(zhǔn)總線功率模式（最高2.7 W）或高功率模式（最高50 W）。

A2B從一開始就設(shè)計(jì)為汽車鏈路，具有業(yè)界領(lǐng)先的EMI/EMC性能，并將幾個(gè)特別設(shè)計(jì)考慮（例如可配置的輸出等級）整合到收發(fā)器中，以緩解汽車一級供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商通常遇到的EMC挑戰(zhàn)。A2B針對汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面測試，例如CISPR 25 Class 5（輻射）、ISO 11452-2/ISO 11452-4/ISO 11452-9、ISO 7637-3（抗擾度）和ISO 10605 (ESD)。

A2B數(shù)據(jù)傳輸

除了支持音頻傳輸之外，A2B還為通過總線傳輸其他形式數(shù)據(jù)的機(jī)制提供了便利。超幀是讓A2B能夠通過總線同時(shí)傳輸音頻和數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)由多個(gè)下行和上行同步數(shù)據(jù)時(shí)隙、同步控制和同步響應(yīng)幀組成。同步數(shù)據(jù)時(shí)隙不僅承載音頻應(yīng)用中的I2S和TDM數(shù)據(jù)，也可用來承載其他類型的數(shù)據(jù)以滿足SOTA應(yīng)用的要求。

主節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個(gè)超幀的傳輸，在同步控制幀之后加入同步（音頻）和異步(I2C/SPI)數(shù)據(jù)。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)可以使用或消費(fèi)一些下行數(shù)據(jù)，并為其他下行節(jié)點(diǎn)添加數(shù)據(jù)?？偩€上的最后一個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)起超幀的上行部分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在同步響應(yīng)幀之后添加額外的同步數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以使用或消費(fèi)上行數(shù)據(jù)。

圖2. 超幀結(jié)構(gòu)

好幾代A2B收發(fā)器都支持的另一種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是郵箱。主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)可以使用郵箱通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送I2C消息——從主節(jié)點(diǎn)到子節(jié)點(diǎn)或從子節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)。郵箱通常用于在主節(jié)點(diǎn)的主機(jī)（例如音響主機(jī)）和子節(jié)點(diǎn)的處理器（例如音頻功放）之間建立握手。

主機(jī)處理器可以發(fā)起與子節(jié)點(diǎn)中的處理器的通信，將所需數(shù)據(jù)通過A2B總線加載到子節(jié)點(diǎn)A2B收發(fā)器的郵箱寄存器中。子節(jié)點(diǎn)中的A2B收發(fā)器通過中斷引腳提醒子節(jié)點(diǎn)中的處理器存在I2C消息。子節(jié)點(diǎn)中的處理器可以通過I2C直接從A2B收發(fā)器讀取消息。子節(jié)點(diǎn)中的處理器可以發(fā)起與主節(jié)點(diǎn)中的主機(jī)的通信，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加載到子節(jié)點(diǎn)收發(fā)器中的郵箱I2C寄存器中。主節(jié)點(diǎn)中的A2B收發(fā)器通過中斷引腳提醒主機(jī)，子節(jié)點(diǎn)收發(fā)器中存在I2C消息。然后，主機(jī)可以選擇通過A2B總線讀取子節(jié)點(diǎn)收發(fā)器郵箱寄存器中的數(shù)據(jù)。

最新一代A2B收發(fā)器系列(AD243x)引入了第三種傳輸機(jī)制，可以在A2B超幀的同步時(shí)隙內(nèi)遠(yuǎn)距離傳輸SPI數(shù)據(jù)。A2B收發(fā)器SPI接口可用于多種不同的應(yīng)用——以高達(dá)10 MHz的SPI時(shí)鐘速率來接口A2B收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)對子節(jié)點(diǎn)收發(fā)器中的寄存器和狀態(tài)信息的直接訪問，與子節(jié)點(diǎn)中支持SPI的外設(shè)通信，甚至可以在沒有主節(jié)點(diǎn)參與的情況下支持子節(jié)點(diǎn)之間的SPI到SPI通信。無SPI接口的前幾代A2B收發(fā)器能夠?qū)⒕哂蠸PI數(shù)據(jù)的超幀透傳到網(wǎng)絡(luò)中的其他上下游節(jié)點(diǎn)。

A2B 參考軟件

A2B對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的軟件開銷要求極低，主機(jī)控制器可以遠(yuǎn)程執(zhí)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的完整初始化。為了支持網(wǎng)絡(luò)配置以及在配置后與網(wǎng)絡(luò)交互（例如事件/中斷驅(qū)動(dòng)、寄存器輪詢），ADI公司提供了全面的ISO/IEC 15504（ASPICE）認(rèn)證軟件包。該軟件有多種版本，包括與Embedded C、Linux?、Android和QNX兼容的版本，以幫助縮短客戶的上市時(shí)間，并確保與最優(yōu)化的收發(fā)器配置一致。

除了為支持A2B基本操作而提供的軟件外，還有可選軟件包用來幫助客戶操作各種特性，例如通過A2B進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。軟件包可用來發(fā)揮上面已經(jīng)討論過的A2B特性，如圖3所示。A2B Communication Channel軟件插件利用A2B郵箱在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息。A2B Data Pipe軟件插件利用A2B同步時(shí)隙在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息。A2B Data Tunnel軟件插件利用A2B SPI遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息。

圖3. A2B用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布蛙浖芰Φ南嚓P(guān)性

A2B郵箱特性與Communication Channel軟件插件相結(jié)合，可提供高達(dá)15 kbps的數(shù)據(jù)吞吐速率。雖然對于診斷等應(yīng)用很有用，但郵箱特性提供的吞吐速率不足以支持SOTA等帶寬密集型應(yīng)用。

A2B同步時(shí)隙與Data Pipe軟件插件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)超過1 Mbps的數(shù)據(jù)吞吐速率。這就為SOTA應(yīng)用提供了更具吸引力的通信速度——例如，在20秒內(nèi)傳輸20 Mb的文件。SPI遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)與A2B Data Tunnel軟件插件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)超過16 Mbps的數(shù)據(jù)吞吐速率。這是A2B總線上的最快數(shù)據(jù)通信速度——例如，在不到7秒的時(shí)間內(nèi)傳輸100 Mb的文件。

A2B 工具

ADI公司開發(fā)的行業(yè)公認(rèn)算法與鏈路設(shè)計(jì)工具SigmaStudio?也支持A2B。SigmaStudio支持A2B設(shè)計(jì)導(dǎo)入流程的各個(gè)方面——通過拖放A2B節(jié)點(diǎn)和周邊器件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)配置、誤碼率分析、帶寬計(jì)算和功率計(jì)算。SigmaStudio結(jié)合提供的數(shù)據(jù)生成.c和.h文件，以便集成到客戶應(yīng)用軟件中。

對于任何汽車技術(shù)，測試設(shè)備都是一個(gè)重要的生態(tài)系統(tǒng)元素，A2B也不例外。ADI公司將同其他值得信賴的測試設(shè)備供應(yīng)商一道提供A2B分析儀和A2B總線Monitor，以支持新AD243x產(chǎn)品系列的所有特性。

A2B分析儀可以模擬A2B網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)。這在設(shè)計(jì)和創(chuàng)建A2B網(wǎng)絡(luò)的原型時(shí)會(huì)很有幫助。A2B monitor可作為A2B網(wǎng)絡(luò)上的被動(dòng)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，用于觀測通過該節(jié)點(diǎn)的A2B音頻和數(shù)據(jù)，同時(shí)支持輸入和輸出音頻。這些工具可以幫助客戶縮短上市時(shí)間和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，另外還會(huì)加快對A2B設(shè)計(jì)導(dǎo)入的所有階段觀察到的任何問題的調(diào)試和調(diào)查。

A2B有多家第三方設(shè)計(jì)服務(wù)合作伙伴，他們已多次將A2B設(shè)計(jì)成功推向市場。這些合作伙伴提供一系列服務(wù)，從現(xiàn)成的硬件模塊到定制硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)支持。

對于汽車應(yīng)用，建議使用AD243x系列的四種產(chǎn)品，其概述參見表1。

A2B音頻總線由ADI提供的一系列產(chǎn)品評估板提供支持，它們涵蓋各類A2B收發(fā)器。作為補(bǔ)充，多個(gè)第三方設(shè)計(jì)服務(wù)團(tuán)隊(duì)也提供了其他幾種A2B板。

圖4. A2B評估系統(tǒng)樣片

總結(jié)

A2B被廣泛認(rèn)為是汽車市場音頻網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)然選擇。無論系統(tǒng)涉及音頻路由，還是涉及路噪降噪或環(huán)境降噪等聲學(xué)特性，都能受益于A2B眾所周知的諸多好處，例如低延遲和出色的EMC性能。A2B產(chǎn)品組合還能在同一網(wǎng)絡(luò)上傳輸非音頻數(shù)據(jù)，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了多種新選擇，包括能夠輕松高效地在音頻網(wǎng)絡(luò)上支持SOTA。

審核編輯：郭婷