基于FPGA的可重配置系統在新興汽車(chē)標準中的應用

多種新興汽車(chē)總線(xiàn)系統可在汽車(chē)各個(gè)節點(diǎn)間提供數據和控制信號，應用涉及從門(mén)鎖到極其復雜的多媒體終端等方方面面。對每個(gè)總線(xiàn)的需求各不相同，在低端應用需要低成本相對低速率的總線(xiàn)，在高端應用需要為視覺(jué)媒體提供高速率實(shí)時(shí)傳輸。由于難以確定究竟哪種標準會(huì )最終勝出，許多汽車(chē)OEM都支持多個(gè)標準。對設計師而言，這些不確定性會(huì )延長(cháng)開(kāi)發(fā)周期并可能最終導致失去商機。

本文介紹的基于FPGA的可重配置系統可以在設計后期甚至量產(chǎn)階段通過(guò)重新編程以適應標準和協(xié)議的改變?？偩€(xiàn)接口可以以配置IP內核的形式提前進(jìn)行驗證，這樣可以節省時(shí)間和精力，因而可以縮短產(chǎn)品的面市時(shí)間。

圖1：車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統及其速率。

車(chē)載信息娛樂(lè )系統和移動(dòng)信息設備，特別是車(chē)載導航系統，需要功能很強的操作系統及互連性。目前，有數個(gè)組織和聯(lián)盟引領(lǐng)著(zhù)汽車(chē)總線(xiàn)的標準化方向，這包括MOST協(xié)作聯(lián)盟、IDB論壇和藍牙SIG等等(圖1)。

面向多媒體的系統傳輸(MOST)

由MOST協(xié)作聯(lián)盟主推的MOST網(wǎng)絡(luò )，被用于連接汽車(chē)中的多個(gè)設備，這些設備包括汽車(chē)導航系統、數字無(wú)線(xiàn)電、顯示器、蜂窩電話(huà)及DVD。MOST技術(shù)已被優(yōu)化為可以使用塑料光纖，支持的數據傳送率高達24.8Mbps，在設備層具有很高的可靠性和可擴充性，同時(shí)還可完全支持實(shí)時(shí)音頻和壓縮視頻。MOST總線(xiàn)已經(jīng)被寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、Harman Becker、

OASIS Silicon Systems等公司認可。近期關(guān)于MOST項目的一個(gè)值得注意的例子是Harman

Becker汽車(chē)系統公司將其應用于最新型的BMW 7系列中。

智能傳輸系統數據總線(xiàn)(IDB)

IDB論壇為那些從事開(kāi)發(fā)售后市場(chǎng)和便攜式設備的OEM公司推出IDB-C和IDB-1394以及標準的IDB接口?；贑AN總線(xiàn)的IDB-C可應用于數據率為250Kbps的設備中。IDB-C 的應用包括了在數字電話(huà)、PDA及音頻系統等這些數字消費設備間建立互連。

IDB-1394(基于IEEE-1394 Firewire)被設計用于高速多媒體應用，這些應用中需要快速傳輸大量信息。IDB-1394是一個(gè)采用光纖技術(shù)的傳輸速率為400M波特率的網(wǎng)絡(luò )。應用場(chǎng)合包括DVD和CD換片機、顯示器、音頻和視頻系統。IDB-1394還允許1394便攜式消費類(lèi)電子設備與一個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)并協(xié)同工作。Zayante是一個(gè)當前為消費市場(chǎng)提供1394物理層設備的供應商，該公司利用福特汽車(chē)公司進(jìn)行IEEE1394的演示。演示包括把一個(gè)數字視頻攝像機、帶有兩個(gè)顯示器的Sony Playstation II游戲機和一臺DVD播放器進(jìn)行即插即用的互連。

數字數據總線(xiàn)(D2B)通訊網(wǎng)絡(luò )

數字數據總線(xiàn)(D2B)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，該協(xié)議用于整合數字音頻、視頻及其它高數據率同步、異步信號的多媒體數據通訊，其數據傳輸率最高可達11.2Mbps。數據總線(xiàn)既可以沿非屏蔽雙絞線(xiàn)-叫“靈巧線(xiàn)”建立，也可以通過(guò)單根光纖建立。這種通訊網(wǎng)絡(luò )由英國的CC公司推廣，并已被美洲虎、梅賽德斯-奔馳等公司所采用。例如，集成多媒體通信系統已被用于美洲虎X型、S型及新的XJ轎車(chē)型。

D2B光纖在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)配置，無(wú)論當時(shí)有何種設備在線(xiàn)都可適應。這意味著(zhù)新設備在生命期內可輕易連進(jìn)網(wǎng)絡(luò )。采用D2B光纖多媒體系統的汽車(chē)制造商可以發(fā)現該標準涉及的技術(shù)都是他們曾了解的。標準具有向后兼容性可確保新產(chǎn)品在整個(gè)生命期內都可加入到汽車(chē)系統中去。D2B光纖基于一個(gè)開(kāi)放架構，在光纖環(huán)中加一個(gè)新設備或新功能時(shí)僅做簡(jiǎn)單擴展而無(wú)需改變電纜配線(xiàn)?？偩€(xiàn)僅使用一根纜線(xiàn)，一根聚合物光纖或一根銅纜線(xiàn)都可以用以處理車(chē)內多媒體數據或控制信息。這可以提供更好的可靠性，并可以減少外部元件及連接器數量，還顯著(zhù)減輕了整個(gè)系統的重量。
















圖2：一個(gè)通用的車(chē)內多媒體設計框圖。

藍牙

藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)是一種低成本、低功耗、短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)，適用于移動(dòng)設備及WAN/LAN接入點(diǎn)。它是一個(gè)計算和無(wú)線(xiàn)通訊工業(yè)規范，描述了如何輕易地將移動(dòng)電話(huà)、PDA和計算機進(jìn)行互連，并且使用短程無(wú)線(xiàn)連接將家庭與商業(yè)電話(huà)、計算機進(jìn)行互連。

舉個(gè)例子，駕駛員能夠使用藍牙無(wú)線(xiàn)耳機與自己口袋中的蜂窩電話(huà)進(jìn)行通訊。結果是駕駛員的注意力被分散而降低了安全性。汽車(chē)業(yè)界已成立了一個(gè)特殊興趣小組(SIG)以制定汽車(chē)的藍牙草案。這個(gè)SIG的成員包括了AMIC、寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、福特、通用、豐田、VW等。

先進(jìn)的安全系統FlexRay

FlexRay是專(zhuān)門(mén)瞄準下一代汽車(chē)應用或“線(xiàn)控”應用的新網(wǎng)絡(luò )通信系統，線(xiàn)控應用需要高速總線(xiàn)系統，這些高速總線(xiàn)系統必須是確定性、容錯并可以支持分布控制系統。寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、飛利浦半導體、摩托羅拉(半導體業(yè)務(wù)現稱(chēng)為Freescale)以及最新成員博世一起開(kāi)發(fā)并確立了FlexRay并把它作為下一代應用標準。

FlexRay通信系統更像是一個(gè)通信協(xié)議，它包含一個(gè)特別設計的高速收發(fā)信機，并定義了FlexRay“節點(diǎn)”的不同組件間的軟、硬件。FlexRay協(xié)議定義了在聯(lián)網(wǎng)的汽車(chē)系統里通信進(jìn)程的功能和格式。該技術(shù)被設計用于滿(mǎn)足關(guān)鍵的汽車(chē)需求，諸如可靠性、實(shí)用性、靈活性以及高數據率以彌補車(chē)內通信標準如CAN、LIN和MOST的不足。
由于汽車(chē)電子控制部件(ECU)通信數據量不斷增加，因此獲得高數據率至關(guān)重要。FlexRay最初目標是數據率達到10Mbps，不過(guò)，現在該協(xié)議也可以達到更高的數據率。

定時(shí)觸發(fā)協(xié)議(TTP)

定時(shí)觸發(fā)協(xié)議主要用于那些可靠的和可容錯的實(shí)時(shí)分布式系統，它確保沒(méi)有單個(gè)的失效點(diǎn)。TTP是成熟的網(wǎng)絡(luò )解決方案。它成本低，并可以應對關(guān)鍵的安全應用。TTP因其嚴謹性以及顯而易見(jiàn)的安全性而被多家航空公司采用。TTAGroup是TTP的主管組織，目前成員包括奧迪、PSA、Renault、NEC、TTChip、德?tīng)柛：蚔isteon。

定時(shí)觸發(fā)CAN(TTCAN)

常見(jiàn)的CAN網(wǎng)絡(luò )中的通信是事件觸發(fā)型的，當同時(shí)發(fā)送多個(gè)需求信息時(shí)會(huì )出現高峰負荷(peakload)，CAN的非破壞性無(wú)仲裁機制可以保證根據按標示的優(yōu)先級傳輸信息。對實(shí)時(shí)系統，必須對整個(gè)系統做流程分析以確保滿(mǎn)足所有傳輸甚至高峰負荷的最終期限，為了解決這個(gè)問(wèn)題，TTCAN應運而生。


TTCAN是CAN協(xié)議的擴展，它在現有的數據鏈路層和物理層的頂端有個(gè)會(huì )話(huà)層，該協(xié)議執行一種混合的、時(shí)間觸發(fā)TDMA流程，它還適用于事件出發(fā)通信。TTCAN有望用于引擎管理系統、傳動(dòng)和通過(guò)線(xiàn)控應用的底盤(pán)控制。


FPGA助設計師走出設計困境

可重配置平臺允許設計師在設計流程后期甚至量產(chǎn)中改變系統總線(xiàn)或接口。可重配置系統概念使對不同標準進(jìn)行嘗試、測試、使用成為可能，并且如果發(fā)現他們和已經(jīng)安裝在車(chē)里的另一個(gè)總線(xiàn)接口不匹配，你可以一直嘗試直到找到最好的配置為止。

可編程器件(PLD)、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)可以讓設計師控制從原型到量產(chǎn)前以及量產(chǎn)中的所有階段?；贏(yíng)SIC或ASSP器件沒(méi)有這種靈活性和可控制性。PLD可以減緩庫存問(wèn)題，因為這種通用器件可以用在多個(gè)項目上，而ASIC只能用在特定應用上。在使用了可編程器件的部件投入使用以后，甚至可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信鏈路進(jìn)行重配置以使系統升級或增加額外功能。


通過(guò)使用IP內核模塊，可重配置硬件平臺可以縮短面市時(shí)間，例如，MemecDesign的CAN內核包含完整的數據鏈路層，其中包括成幀器、收發(fā)控制、糾錯內核設計和柔性接口以獲取每個(gè)內部系統的狀態(tài)和幀參考。位速率和子位節段能重新配置以滿(mǎn)足所連CAN總線(xiàn)的特殊時(shí)序要求，錯誤計數器和錯誤中斷事件會(huì )報告錯誤。該內核被設計可提供的總線(xiàn)速率達1Mbps，其最低內核時(shí)鐘頻率是8MHz。CAN內核可以在信息濾波器、信息優(yōu)先機制和各種系統功能諸如傳感器/激勵器控制之間提供一個(gè)接口。另外，它也可以嵌入到系統應用中作為于微控制器和各種外設功能的接口。

不用使用分立器件，僅把IP內核用于更復雜設計的一部分就可以給CAN或LIN總線(xiàn)提供接口。減少元件數量可以帶來(lái)諸如降低整個(gè)系統的成本、降低庫存、提高系統可靠性和減少PCB復雜性和層數等多方面的好處。如圖2顯示顯示了一個(gè)通用的車(chē)內多媒體設計框圖，該設計使用了CAN內核、PCMCIA接口、PCL橋接、IDE接口和其他功能，在設計階段這些功能可以修改、變化，也可以根據終端用戶(hù)的要求進(jìn)行修改，通過(guò)對系統中的FPGA進(jìn)行重配置，這個(gè)模式還可以擴展到現場(chǎng)修改或升級系統。