使用FPGA實(shí)現(xiàn)低成本汽車多總線橋接

　　汽車中的電子系統(tǒng)持續(xù)快速增長，因此對比一下汽車電子發(fā)展和消費(fèi)類電子便攜式產(chǎn)品的發(fā)展將會(huì)大有啟發(fā)。如今的消費(fèi)者希望在汽車中獲得手持便攜式電子設(shè)備所提供的方便與舒適性。汽車電子將不再局限于引擎管理系統(tǒng)或車身控制，而是擴(kuò)展至新的領(lǐng)域，諸如信息娛樂、通信以及司機(jī)/乘客輔助系統(tǒng)等。

　　一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是必須保證汽車壽命與車內(nèi)電子設(shè)備壽命相匹配，這樣才能避免由于技術(shù)過時(shí)和設(shè)備淘汰而增加額外的成本。從8軌唱片播放機(jī)到音頻磁帶播放機(jī)、CD播放機(jī)到MP3播放機(jī)，如此迅速的發(fā)展提醒汽車設(shè)計(jì)工程師，車內(nèi)電子設(shè)備的生命周期相對較短。汽車標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生和變化進(jìn)一步導(dǎo)致選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須考慮到其壽命、靈活性和被接受的廣泛程度。目前使用的標(biāo)準(zhǔn)主要有LIN、CAN面向媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）以及藍(lán)牙技術(shù)。

　　汽車電子部件設(shè)計(jì)人員面臨的其它挑戰(zhàn)包括滿足低成本目標(biāo)、擴(kuò)展溫度范圍以及小型化要求。FPGA在過去的10多年里有著長足的發(fā)展，提供了更高的性能、更低的功耗、更寬的工作溫度范圍、更小的體積和更低的成本，因此FPGA對汽車設(shè)計(jì)工程師有著越來越大的吸引力。

　　根據(jù)業(yè)界分析公司GartnerDataquest（2003年11月）的報(bào)告，全球汽車電子應(yīng)用市場2003年約為7320萬美元，2004年會(huì)達(dá)到7790萬美元，2005年將達(dá)到8530萬美元。主要的汽車電子系統(tǒng)包括GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、引擎控制單元和數(shù)字立體聲系統(tǒng)。

　　FPGA的優(yōu)點(diǎn)

　　由于FPGA具有可重復(fù)編程的靈活特點(diǎn)，因此可以快速實(shí)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)，這在現(xiàn)場部署完成后仍可進(jìn)行。而且無需對FPGA進(jìn)行物理拆卸，通過標(biāo)準(zhǔn)編程協(xié)議（如IEEE1149.1JTAG）就可以完成。從而設(shè)計(jì)人員可以像調(diào)整引擎那樣對車內(nèi)電子系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

　　當(dāng)然，汽車型號(hào)是多種多樣的，從經(jīng)濟(jì)型、標(biāo)準(zhǔn)型到豪華型。因此，車內(nèi)的電子設(shè)備也因車而異。而通過FPGA可重復(fù)編程和靈活性的優(yōu)點(diǎn)，汽車設(shè)計(jì)工程師可以在同樣的平臺(tái)上提供從標(biāo)準(zhǔn)到豪華的不同特性組合。而對于ASIC，高昂的NRE和ASIC橋接的不靈活性使其從可行的解決方案中被排除出去。盡管ASIC有著較低制造成本的優(yōu)勢。

　　橋接功能

　　微處理器或微控制器是電子系統(tǒng)的核心。目前已有很多方案能夠以低成本靈活地實(shí)現(xiàn)兩種流行的汽車總線協(xié)議（LIN和MOST）與微處理器或微控制器接口之間的橋接。這些應(yīng)用成功的關(guān)鍵是FPGA的靈活結(jié)構(gòu)和可重復(fù)編程能力，使得可容易地與多種微處理器或微控制器橋接，從而為設(shè)計(jì)人員提供了最大的靈活性。要實(shí)現(xiàn)新的要求，或者對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，不需要更改元器件，只要簡單地對FPGA進(jìn)行重新編程就可以了。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有了用于汽車總線標(biāo)準(zhǔn)的IP核，如LIN和CAN。LIN是一種低成本單線（12V總線）串行通信協(xié)議，基于通用串行通信接口（UART）數(shù)據(jù)格式和旨在滿足汽車中分布式電子系統(tǒng)使用的單主控設(shè)備/多從屬設(shè)備概念。這個(gè)低成本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于連接通信要求相對較低的分布式結(jié)點(diǎn)，主要針對使用智能傳感器、調(diào)節(jié)器或照明的汽車應(yīng)用。而不是取代諸如CAN等高性能網(wǎng)絡(luò)。

　　同步機(jī)制是LIN的一個(gè)特點(diǎn)，該機(jī)制允許采用從屬結(jié)點(diǎn)恢復(fù)時(shí)鐘而無需石英或陶瓷振蕩器。線路驅(qū)動(dòng)器和接收器的技術(shù)規(guī)格符合ISO9141單線標(biāo)準(zhǔn)，并且進(jìn)行了額外的增強(qiáng)。最大的傳輸速率是為20kbps。這一限制源于EMI考慮以及時(shí)鐘同步機(jī)制。

　　一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主控結(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)從屬結(jié)點(diǎn)。所有結(jié)點(diǎn)都包括執(zhí)行傳輸和接收任務(wù)的從屬通信任務(wù)，而主結(jié)點(diǎn)還包括另外的主控傳輸任務(wù)。LIN網(wǎng)絡(luò)的通信總是由主控任務(wù)所發(fā)起，首先發(fā)送一個(gè)包括同步中斷、同步字節(jié)和消息識(shí)別組成的消息頭。同一時(shí)刻只有一個(gè)從屬任務(wù)接收并過濾標(biāo)識(shí)符，發(fā)送消息響應(yīng)。響應(yīng)由兩個(gè)、四個(gè)、或八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)所組成。消息頭及響應(yīng)部分共同構(gòu)成一個(gè)消息幀。

　　時(shí)鐘同步、UART通信的簡單性以及單線介質(zhì)是LIN成本較低的主要原因。而實(shí)現(xiàn)低成本、低速LIN需要適量的FPGA資源，大約需要500個(gè)LUT和42個(gè)I/O。

　　MOST技術(shù)提供了連接簡單多媒體設(shè)備的低開銷、低成本的網(wǎng)絡(luò)接口，既可支持低智能設(shè)備，也能支持需要高級(jí)控制和多媒體功能的基于DSP的復(fù)雜設(shè)備。這特點(diǎn)使整個(gè)汽車通信系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)。從整體上來看，MOST是一種基于同步數(shù)據(jù)通信的高性能、低成本的多媒體光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。非常適合于汽車中的多媒體應(yīng)用，如模擬音頻網(wǎng)關(guān)、模擬視頻接口、數(shù)字視頻顯示接口、導(dǎo)航和通信等。MOST標(biāo)準(zhǔn)有不同的層，如物理層、數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層、傳輸層、會(huì)話層以及其它層?？梢愿采w從數(shù)kbps到24.8Mbps的廣泛應(yīng)用。

　　同時(shí)，MOST還是一種同步網(wǎng)絡(luò)。時(shí)鐘由一個(gè)定時(shí)主控設(shè)備所提供，所有其它設(shè)備都同步到這一時(shí)鐘。這一技術(shù)避免了采用緩沖和采樣速率轉(zhuǎn)換，因此可以連接非常簡單和便宜的設(shè)備。該技術(shù)類似于交換式電話網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通道和控制通道都分別進(jìn)行了定義?？刂仆ǖ烙脕泶_定發(fā)送方和接收方使用的是哪一個(gè)數(shù)據(jù)通道。連接一旦建立，數(shù)據(jù)可以連續(xù)傳送，不需要處理額外的包信息。對于數(shù)據(jù)流傳輸來說，這是一種理想的機(jī)制。

　　MOST網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：容易使用、低成本實(shí)現(xiàn)、寬范圍的應(yīng)用、同步和異步帶寬、靈活性大且符合消費(fèi)和個(gè)人計(jì)算機(jī)行業(yè)的要求。

　　節(jié)約成本

　　利用FPGA內(nèi)在的靈活性和可重復(fù)編程特性，可以在單個(gè)平臺(tái)上簡化實(shí)現(xiàn)各種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)與微處理器或微控制器接口的橋接。并使汽車制造商能夠利用同一種FPGA滿足不同級(jí)別汽車，從經(jīng)濟(jì)型到豪華型對電子系統(tǒng)的不同要求。這樣就簡化了庫存管理和獲取批量價(jià)格優(yōu)惠，從而降低了研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和物流的成本。

　　利用FPGA所帶來的成本節(jié)約優(yōu)勢延續(xù)到了汽車的整個(gè)生命周期過程中。通過重新編程和重新配置，F(xiàn)PGA不需要支付額外的工程成本就能完成產(chǎn)品的升級(jí)要求，而采樣ASIC時(shí)這是不可避免的。此外，一些FPGA制造商還提供封裝兼容情況下的密度升級(jí)能力，即在原來的PCB設(shè)計(jì)不變的情況下提供更大的邏輯容量，從而在系統(tǒng)要求變化較大時(shí)延長電子平臺(tái)的壽命。

　　這些能力和優(yōu)點(diǎn)不僅使FPGA器件對于設(shè)計(jì)人員更具吸引力，還允許他們自由地選擇微處理器或微控制器。采用FPGA，設(shè)計(jì)人員就可根據(jù)需要選擇成本優(yōu)化的微處理器或微控制器，或者選擇功能豐富的產(chǎn)品。這一靈活性能夠直接降低汽車電子系統(tǒng)的總體解決方案成本。

　　LatticeECP和LatticeECFPGA還提供了一種獨(dú)特的成本節(jié)約特性，支持標(biāo)準(zhǔn)SPI存儲(chǔ)器配置。傳統(tǒng)上，基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供應(yīng)商提供價(jià)格較高的專用非易失性導(dǎo)入PROM。這些PROM在整個(gè)FPGA解決方案成本中占了35%以上。與之對比，低成本業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI存儲(chǔ)器對于大批量應(yīng)用非常理想。SPI存儲(chǔ)器配置時(shí)間快、成本低而且占用的PCB空間更小。Lattice擁有ECP和EC器件，是首家提供SPI存儲(chǔ)器配置支持的FPGA供應(yīng)商。

　　結(jié)語

　　隨著新的汽車標(biāo)準(zhǔn)不斷出現(xiàn)，汽車設(shè)計(jì)人員的主要考慮是具有最大靈活性和適應(yīng)性的接口實(shí)現(xiàn)。LatticeECP和LatticeEC系列為接口實(shí)現(xiàn)提供了極佳的功能、性能和價(jià)值。利用非常有效的架構(gòu)（大批量，130nm生產(chǎn)技術(shù)），這些低成本FPGA提供了DSP塊、嵌入式RAM塊的sysMEM、分布式存儲(chǔ)器、sysCLOCKPLLs、DDR存儲(chǔ)器接口、以及系統(tǒng)IO緩沖，以致于非常適合汽車應(yīng)用。使用這些器件，汽車設(shè)計(jì)人員能夠適應(yīng)汽車標(biāo)準(zhǔn)的改變，在產(chǎn)品開發(fā)階段容易采納新的標(biāo)準(zhǔn)，而且與現(xiàn)有FPGA解決方案相比較，總成本將降低30%至50%。