滿足安全/帶寬需求的車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

汽車內(nèi)部、汽車與汽車之間以及汽車與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信和網(wǎng)絡(luò)正在悄然發(fā)生變革。許多重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)得到了成功地解決，例如采用軟硬件方法滿足嚴(yán)格的帶寬、容錯(cuò)、決斷和可靠性要求。事實(shí)上，許多硬件和軟件中的通信與控制協(xié)議都有了顯著進(jìn)步。這些協(xié)議包括：FlexRay、控制器區(qū)域網(wǎng) (CAN)、日本汽車軟件平臺(tái)和架構(gòu)(JASPAR)、本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)、美國汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)的J1850、汽車開放系統(tǒng)架構(gòu) (AUTOSAR)，媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸(MOST)協(xié)議和FireWire (1394)標(biāo)準(zhǔn)。MOST協(xié)議正在進(jìn)入越來越多的汽車信息娛樂系統(tǒng)，主要是歐洲產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)的MOST規(guī)范版本3有望不久后發(fā)布。

對(duì)于車身、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤和其它控制來說，沒有一種協(xié)議和架構(gòu)可以被認(rèn)為是“十全十美”的解決方案。通常情況下，組合和改進(jìn)這些方案對(duì)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(wǎng)絡(luò)的新版FlexRay所采用。FlexRay聯(lián)盟準(zhǔn)備在FlexRay協(xié)議規(guī)范V3.0和物理層規(guī)范V3.0的主要修改點(diǎn)中采納JASPAR技術(shù)建議，這些規(guī)范將在2009/2010時(shí)間段內(nèi)發(fā)布。

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

圖1：FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以用作CAN、LIN和MOST等其它網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車載控制和信息娛樂應(yīng)用。

FlexRay定義了一種雙通道的10Mbps數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)通道可以用來獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)冗余機(jī)制，匯聚數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Mbps。FlexRay聯(lián)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(dǎo)體和恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors，下文簡稱NXP)等。他們希望FlexRay能成為先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤和線傳控制汽車系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，即便它的成本比目前到廣泛使用的1Mbps CAN協(xié)議高得多。大多數(shù)成員認(rèn)為FlexRay將與其它協(xié)議共存，而不會(huì)替代它們。

“FlexRay最初是專門針對(duì)容錯(cuò)和冗余設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在它也正被用來在提高帶寬，特別在可以利用CAN等其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更高帶寬的地方。”NEC電子美國公司汽車策略業(yè)務(wù)部首席技術(shù)應(yīng)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(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。在其他公司加入進(jìn)來之前，他們不想冒可能成功也可能不成功的風(fēng)險(xiǎn)。”NEC電子美國公司汽車策略業(yè)務(wù)部營銷經(jīng)理Dave Stone表示。

圖2：恩智浦半導(dǎo)體公司的TJA1080A FlexRay收發(fā)器是首個(gè)在車載網(wǎng)絡(luò)方面得到認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)收發(fā)器(a)，它已經(jīng)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(jì)劃進(jìn)一步增強(qiáng)研發(fā)力量，開發(fā)FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

他們合作的目標(biāo)是提高車內(nèi)數(shù)據(jù)通信的可靠性并降低成本，例如優(yōu)化的FlexRay拓?fù)淇梢约纱罅康墓?jié)點(diǎn)。此外，這兩家公司設(shè)計(jì)了一個(gè)位整形器電路，可以讓汽車OEM商和一流供應(yīng)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(jì)劃合作開發(fā)針對(duì)FlexRay芯片的測試流程。

“FlexRay芯片的價(jià)格肯定會(huì)降下來，以縮小FlexRay和CAN實(shí)現(xiàn)之間的巨大成本差異。”NXP業(yè)務(wù)線汽車安全與舒適事業(yè)部高級(jí)總監(jiān)和總經(jīng)理Toni Versluij指出。

NXP在2006年推出首個(gè)FlexRay收發(fā)器芯片TJA 1080A，緊接著推出了TJA1081和TFA1082節(jié)點(diǎn)收發(fā)器，此外還提供TJA1085有源星型耦合器。NXP至今已經(jīng)交付了100萬個(gè)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(lǐng)先供應(yīng)商。

“在今后十年中，CAN將是車載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的首選。”Versluij認(rèn)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(yīng)用設(shè)計(jì)的，但大多數(shù)汽車應(yīng)用使用CAN就能處理的單通道拓?fù)?。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(dǎo)體公司車載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的市場份額有望不斷增長，其中CAN將接管大多數(shù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。

Versluij還指出，F(xiàn)lexRay在元器件級(jí)別的實(shí)現(xiàn)成本要超過CAN。“但在系統(tǒng)級(jí)，情況則不一樣。” Mentor Graphics的系統(tǒng)工程事業(yè)部的總經(jīng)理Serg Leef認(rèn)為，“CAN在帶寬和可靠性方面具有很大的局限性。為對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，工程師在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)只使用總帶寬的很少一部分，以便提高消息能及時(shí)到達(dá)的可能性，但這也降低了CAN的性價(jià)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(jí)控制器的汽車產(chǎn)品線，以支持所有的流行的車載網(wǎng)絡(luò)，如FlexRay、CAN、LIN、MOST、USB和以太網(wǎng)。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(wǎng)絡(luò)提供集成在收發(fā)器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)單元和內(nèi)核。”TI公司模擬/混合信號(hào)部門的系統(tǒng)工程師Scott Monroe表示。他指出，雖然CAN在車內(nèi)的用量有很大增長，但需要將那些非緊急的CAN節(jié)點(diǎn)與安全關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)分開。

MCU也被大量用于FlexRay網(wǎng)絡(luò)。飛思卡爾半導(dǎo)體的S12XF MCU就是一個(gè)例子。這個(gè)MCU包含了集成式FlexRay技術(shù)。Adura Systems公司在模塊化電子可擴(kuò)展架構(gòu)(MESA)傳動(dòng)系統(tǒng)中選用了這款I(lǐng)C。MESA傳動(dòng)系統(tǒng)提供高達(dá)100英里的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

汽車內(nèi)的MCU(經(jīng)常被用作電子控制單元(ECU))的數(shù)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(fù)雜性。今后的發(fā)展趨勢是采用模塊化的控制單元，每個(gè)模塊控制車載網(wǎng)絡(luò)中汽車功能的一個(gè)特定子集。設(shè)計(jì)師正在試圖將車內(nèi)典型的35至40個(gè)MCU(有的車型甚至有多達(dá)100個(gè) MCU)精簡到20至25個(gè)集成相同功能的單元。然而，對(duì)那些具有許多ECU的高級(jí)設(shè)計(jì)來說，CAN可能會(huì)達(dá)到其極限。

對(duì)汽車來說高等級(jí)的決斷和實(shí)時(shí)響應(yīng)需求非常關(guān)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(shí)是否在車道內(nèi)或車道外時(shí)發(fā)生的。汽車防撞告警系統(tǒng)必須能在高速條件下實(shí)時(shí)工作，并使用多個(gè)低成本傳感器測量復(fù)雜的三維場景。

種類繁多的CAN

市場上有許多版本的CAN協(xié)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(cuò)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(dòng)車身控制功能。HS-CAN還用于傳動(dòng)系應(yīng)用，包括引擎、傳動(dòng)和變速箱以及防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)。

另外一種CAN是時(shí)間觸發(fā)式CAN(TT-CAN)。然而，許多人對(duì)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(shí)最大長度只有40米，因此只能局限于短距離應(yīng)用。

“當(dāng)你忽略CAN協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)而把它用于較長的線路長度時(shí)，那它就不是CAN了。”CAN協(xié)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(wǎng)絡(luò)的測試工作。

CAN協(xié)議具有較大而且可變的抖動(dòng)。為了使TT-CAN更可預(yù)測和更加可靠，美國凱特靈大學(xué)的研究人員Juan R.Pimentel和Mentor Graphics公司的Jason Paskvan做了各種試驗(yàn)，以表征基于實(shí)際CAN的通信架構(gòu)中的抖動(dòng)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(yīng)用的拓?fù)?，不?huì)降低靈活性(圖4)。

圖4：FlexCAN是一種用于線傳控制應(yīng)用的拓?fù)?，不?huì)降低靈活性。

尋找最佳平衡點(diǎn)

Delphi公司的B.Perry Compton提出了一種串行通信協(xié)議，這種協(xié)能夠在CAN和FlexRay之間達(dá)到開銷、復(fù)雜性、吞吐量、成本和實(shí)時(shí)性能的最佳平衡。Compton將他的協(xié)議稱為“Goldilocks”,并指出，這不是單個(gè)協(xié)議，而是基于單個(gè)消息調(diào)度原理的協(xié)議集(圖5)。

圖5：Goldilocks控制器試圖在開銷、復(fù)雜性、吞吐量、成本和實(shí)時(shí)性能之間取得最佳“平衡點(diǎn)”。Goldilocks后向兼容CAN車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在性能和功能方面與FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比極具競爭力。(來源：Dephi Automotive公司)

Goldilocks與CAN的優(yōu)先級(jí)仲裁是一致的，但它基于DMA原理執(zhí)行調(diào)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供每節(jié)點(diǎn)最低的成本。這種串行總線能以最快19,200波特的速度實(shí)現(xiàn)智能傳感器和激勵(lì)器的互連，線纜長度最長達(dá)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(chǔ)芯片。這些芯片具有6kV靜電放電(ESD)保護(hù)和增強(qiáng)的電磁干擾(EMI)性能，所帶的LIN收發(fā)器內(nèi)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(shí)內(nèi)置穩(wěn)壓器和看門狗定時(shí)器的芯片。

俄羅斯公司Finprom Resouce將MSP LIN技術(shù)用于奧迪A6的汽車座位控制。據(jù)該公司介紹，這種技術(shù)可以提供最佳的經(jīng)濟(jì)、靈活和功能組合。

Finprom還為自適應(yīng)車輛系統(tǒng)提供AVAS數(shù)字化車輛控制技術(shù)。這種技術(shù)基于相同的電子元件、公共通道和通信協(xié)議，將汽車通信通道中的信息密度提高到97%，并將通道內(nèi)的服務(wù)信息共享降低了3%。AVAS技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)電源線進(jìn)行通信，兼容CAN和LIN拓?fù)洹?/p>

軟件是關(guān)鍵

鑒于車內(nèi)大量控制器件、激勵(lì)器、傳感器和互連線帶來的復(fù)雜性，軟件成為車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)，因此能夠保證軟件代碼的可復(fù)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(chǎn)品也支持AUTOSAR，并希望這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能成為全球標(biāo)準(zhǔn)。

AUTOSAR等軟件對(duì)車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)中使用車輛復(fù)用、通信協(xié)議、所使用的OEM特殊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作策略都在不斷增加，并且系統(tǒng)架構(gòu)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(qiáng)烈勢頭。

“汽車就像蜂窩電話一樣，”Continental Automotive Systems公司連接業(yè)務(wù)部執(zhí)行副總裁Kieran O’Sullivan表示，“它們將變成更寬網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。”

NEC電子美國公司計(jì)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(qū)動(dòng)程序。該公司就這一項(xiàng)目正在與ETAS和KPIT Cummins Infosystems展開合作。

Mentor Graphics公司展示了首個(gè)針對(duì)AUTOSAR的支持工具。這個(gè)名為Volcano車輛系統(tǒng)架構(gòu)(VSA)的工具還支持針對(duì)FlexRay、CAN和 LIN的嵌入式軟件設(shè)計(jì)。Volcano的模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程可以幫助用戶減少設(shè)計(jì)汽車元件、嵌入式軟件和網(wǎng)絡(luò)中采用的下行數(shù)據(jù)驗(yàn)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(jìn)行關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策和驗(yàn)證，從而縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

Vector Informatik公司推出了一種用于消息類總線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換格式，稱為現(xiàn)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(chǔ)，包含了描述整個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)所需的所有信息。這些信息包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、配置參?shù)、調(diào)度、幀、信號(hào)及其位級(jí)的編碼。FIBEX已經(jīng)成為 FlexRay總線系統(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)。

Vector Informatik還與The MathWorks公司合作使其設(shè)計(jì)工具與AUTOSAR應(yīng)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(gòu)，然后將元件導(dǎo)出到the MathWorks公司的Simulink中去。

一些領(lǐng)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(chǎn)品來改進(jìn)設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜和集成的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是因?yàn)樗鼈兡軇?chuàng)建一個(gè)公共平臺(tái)用于共享系統(tǒng)規(guī)范和開發(fā)思想，這樣的網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(fù)雜大規(guī)模ECU網(wǎng)絡(luò)中的單獨(dú)軟件模塊，并驗(yàn)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(hào)完整性的車載網(wǎng)絡(luò)仿真和分析。Synopsys公司技術(shù)營銷負(fù)責(zé)人Thorsten Gerke表示，許多車載網(wǎng)絡(luò)元件和網(wǎng)絡(luò)版圖會(huì)影響信號(hào)完整性，包括電感、變阻器、電纜類型和長度以及電纜終端。