利用FPGA實現(xiàn)低成本汽車多總線橋接

2004年10月B版

汽車中的電子單元持續(xù)快速增長，因此對比一下汽車電子發(fā)展和消費類電子便攜式產(chǎn)品的發(fā)展會有很大啟發(fā)。今天的消費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。汽車電子將不再專門用于引擎管理系統(tǒng)或車身控制，而是擴展應(yīng)用到新的領(lǐng)域，如信息娛樂、通信以及司機/乘客輔助系統(tǒng)。
設(shè)計人員面臨的一個嚴峻設(shè)計挑戰(zhàn)是必須保證汽車壽命與車內(nèi)電子設(shè)備的壽命相匹配，這樣才能避免由于技術(shù)過時和設(shè)備淘汰而增加額外的成本。從8軌唱片播放機到音頻磁帶播放機，再到CD播放機和MP3播放機，如此快速的發(fā)展提醒汽車設(shè)計師車內(nèi)電子設(shè)備的生命周期相對短得多。不斷出現(xiàn)的新興汽車標準以及標準本身的不斷變化進一步導(dǎo)致選擇標準時必須考慮到其壽命、靈活性以及被接受的廣泛程度。目前使用的一些標準包括本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)以及藍牙等。
汽車電子部件設(shè)計人員面臨的其它挑戰(zhàn)還包括滿足低成本目標、擴展溫度范圍以及小型化要求?？删幊踢壿嬈骷?PLD)在過去10多年時間里獲得了長足的發(fā)展，提供了更高的性能、更低的功耗、工作溫度范圍更寬、外形更小且成本更低，因此PLD對于汽車設(shè)計人員越來越具吸引力。
根據(jù)業(yè)界市場研究公司Gartner Dataquest(2003年11月)的報告，全球汽車電子應(yīng)用市場2003年約為7320萬美元，預(yù)計2004年會達到7790萬美元，2005年將達到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)字立體聲音頻系統(tǒng)。

可編程邏輯器件的優(yōu)點
由于PLD可重編程的靈活特點，因此特別適合各種變化。通過對PLD進行重新編程，可以快速實現(xiàn)新版標準，甚至在現(xiàn)場部署后仍可進行。重新編程工作在現(xiàn)有系統(tǒng)中即可完成，不必對PLD進行物理拆卸。這一過程被稱為在系統(tǒng)可編程能力(ISP)，通過標準編程協(xié)議(如IEEE1149.1 JTAG)就可以完成。設(shè)計人員可以象調(diào)整引擎那樣對車內(nèi)電子進行升級。實際上，未來汽車電子升級可能會變得象定期的程序維護一樣平常。
當然，汽車型號眾多，從經(jīng)濟型到標準型，還有豪華型。因此，根據(jù)汽車的類型，車內(nèi)電子設(shè)備也有不同。而且，認識到PLD的可重編程能力和靈活性優(yōu)點，汽車設(shè)計師可以在同樣的平臺上提供從標準到豪華的不同特性組合。這也可以解釋為什么通常不考慮使用專用集成電路(ASIC)，盡管ASIC在大批量時具有成本更低的優(yōu)勢。實際上，高昂的NRE成本以及ASIC橋接的不靈活性使得ASIC被從可行的解決方案中排除出去。

橋接功能
微處理器或微控制器是汽車電子系統(tǒng)的核心。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)PLD器件是實現(xiàn)不同汽車總線標準與微處理器或微控制器接口橋接的極好選擇。下面兩個例子能夠以低成本靈活地實現(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功能橋接。這些應(yīng)用成功的關(guān)鍵是FPGA的靈活架構(gòu)和可重編程能力使得可容易地實現(xiàn)與多種微處理器或微控制器的接口，從而為設(shè)計人員提供最大的靈活性。要實現(xiàn)新的要求，或者對現(xiàn)有設(shè)計進行修改，不需要更改元器件，只需要簡單地對FPGA進行重新編程就可以了。
現(xiàn)在已經(jīng)有針對汽車總線標準(如LIN和CAN)的知識產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核。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)應(yīng)用要求的單主控設(shè)備/多從屬設(shè)備概念。這一低成本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)旨在連接通信要求相對較低的分布式結(jié)點，而不是要代替CAN等高性能網(wǎng)絡(luò)。LIN主要針對使用智能傳感器、調(diào)節(jié)器或照明設(shè)備的汽車應(yīng)用。這些單元可容易地連接到汽車網(wǎng)絡(luò)供所有其它類型的診斷和服務(wù)訪問使用。
LIN總線的一個特點是其同步機制，允許從屬結(jié)點(slave node)不需要額外的石英或陶瓷振蕩器就可以恢復(fù)時鐘。線路驅(qū)動器和接收器的技術(shù)規(guī)格符合ISO 9141單線標準，并且進行了額外的增強。最大的傳輸速率為20 kbit/s，這一限制源于EMI考慮以及時鐘同步機制。
一個LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主控結(jié)點和一個或多個從屬結(jié)點。所有結(jié)點都執(zhí)行包括發(fā)送和接收任務(wù)在內(nèi)的從屬通信任務(wù)，而主結(jié)點則還包括主控發(fā)送任務(wù)?；顒覮IN網(wǎng)絡(luò)中的通信總是由主控任務(wù)發(fā)起——主控任務(wù)發(fā)送一個包括同步中斷、同步字節(jié)和消息標識符組成的消息頭。
同一時間始終只有一個從屬任務(wù)接收并過濾標識符，該從屬任務(wù)負責發(fā)送消息響應(yīng)。響應(yīng)包括兩個、四個或八個數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個校驗字節(jié)。消息頭及響應(yīng)部分構(gòu)成一個消息幀。
時鐘同步、UART通信的簡單性以及使用單線介質(zhì)是LIN高成本效率的主要原因。實現(xiàn)低成本、低速度的LIN需要的FPGA資源不多——大約只需要500個LUT和42個I/O。因此，低成本FPGA器件非常適于實現(xiàn)LIN標準，同時還提供了與微處理器或微控制器接口的靈活性。
MOST技術(shù)提供了一種連接簡單多媒體設(shè)備的低資源消耗、低成本網(wǎng)絡(luò)接口。MOST既可支持低智能設(shè)備，也可支持需要高級控制和多媒體功能的基于DSP的復(fù)雜設(shè)備。其設(shè)計原理使總體汽車通信系統(tǒng)的靈活性達到最大。在同層次上來看，MOST是一種基于同步數(shù)據(jù)通信的通用高性能低成本的多媒體光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對于汽車中的模擬音頻網(wǎng)關(guān)、模擬視頻接口、數(shù)字視頻顯示接口、導(dǎo)航和通信等多媒體應(yīng)用，MOST非常理想。MOST標準有多個不同的層，如物理層(PHY)、數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層、傳輸層、會話層以及其它層，可以支持從數(shù)Kbps至24.8 Mbps的廣泛應(yīng)用。
MOST是一種同步網(wǎng)絡(luò)。時鐘由一個定時主控器提供，所有其它設(shè)備操作都同步到這一時鐘。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。其實質(zhì)類似于交換式電話網(wǎng)絡(luò)。MOST技術(shù)定義了數(shù)據(jù)通道和控制通道?？刂仆ǖ烙脕泶_定發(fā)送方和接收方使用的是哪個數(shù)據(jù)通道。連接一旦建立，數(shù)據(jù)可連續(xù)傳輸，不需要處理額外的數(shù)據(jù)包信息。對于流式數(shù)據(jù)傳輸來說，這是一種最優(yōu)的機制。
MOST網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點包括：易用、實現(xiàn)成本低、適用范圍廣、可提供同步和異步帶寬、靈活性大并且符合消費和個人計算機行業(yè)的要求。

降低成本
利用FPGA內(nèi)在的靈活性和可重編程能力，可以在單個平臺上實現(xiàn)不同汽車總線標準與微處理器或微控制器接口的橋接，從而大大簡化了橋接工作，并使汽車生產(chǎn)商能夠利用同一FPGA器件滿足不同級別汽車(從經(jīng)濟型到豪華型)對電子單元的不同要求。這樣即簡化了庫存管理又可提供批量價格優(yōu)惠，從而進一步降低開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和物流方面的成本。
FPGA所帶來的成本節(jié)約優(yōu)勢還一直延續(xù)到汽車的整個生命周期過程中。通過重新編程或重新配置，F(xiàn)PGA不需要支付額外的工程成本(采用ASIC時這是不可避免的)即可滿足升級要求。進一步，一些FPGA制造商還提供封裝兼容情況下的密度升級能力，即在原來的PCB設(shè)計不變的情況下提供更多的邏輯容量，從而在系統(tǒng)要求劇烈變化時延長電子平臺的壽命。
這些能力和優(yōu)點不僅使FPGA器件對于設(shè)計人員更具吸引力，同時還允許他們更為自由地選擇微處理器或微控制器。在設(shè)計中使用FPGA，設(shè)計人員就可根據(jù)需要選擇成本優(yōu)化的微處理器或微控制器，或者選擇功能更豐富的產(chǎn)品。這一靈活性可直接降低汽車電子組件的總體解決方案成本。
LatticeECP和LatticeEC FPGA器件還提供了一項獨特的成本節(jié)約特性，支持標準SPI存儲器配置。傳統(tǒng)上，基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供應(yīng)商提供的價格較高的專用非易失性boot PROM。這些PROM在整個FPGA解決方案成本中占了35%以上。與此對比，低成本業(yè)界標準的SPI存儲器對于大批量應(yīng)用非常理想。SPI存儲器配置時間快、成本低并且占用的PCB空間更小。 ■