滿(mǎn)足安全/帶寬需求的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設計

汽車(chē)內部、汽車(chē)與汽車(chē)之間以及汽車(chē)與基礎設施之間的通信和網(wǎng)絡(luò )正在悄然發(fā)生變革。許多重要的設計挑戰得到了成功地解決，例如采用軟硬件方法滿(mǎn)足嚴格的帶寬、容錯、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(zhù)進(jìn)步。這些協(xié)議包括：FlexRay、控制器區域網(wǎng) (CAN)、日本汽車(chē)軟件平臺和架構(JASPAR)、本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)、美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )(SAE)的J1850、汽車(chē)開(kāi)放系統架構 (AUTOSAR)，媒體導向系統傳輸(MOST)協(xié)議和FireWire (1394)標準。MOST協(xié)議正在進(jìn)入越來(lái)越多的汽車(chē)信息娛樂(lè )系統，主要是歐洲產(chǎn)的汽車(chē)中。目前MOST還沒(méi)有得到普及，但豐田的Prius汽車(chē)正在使用25MBps版本的MOST。用于150Mbps網(wǎng)絡(luò )的MOST規范版本3有望不久后發(fā)布。

對于車(chē)身、傳動(dòng)系統、底盤(pán)和其它控制來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一種協(xié)議和架構可以被認為是“十全十美”的解決方案。通常情況下，組合和改進(jìn)這些方案對提供靈活性和滿(mǎn)足汽車(chē)控制與通信需求非常有用。例如，JASPAR最近被用于新一代車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的新版FlexRay所采用。FlexRay聯(lián)盟準備在FlexRay協(xié)議規范V3.0和物理層規范V3.0的主要修改點(diǎn)中采納JASPAR技術(shù)建議，這些規范將在2009/2010時(shí)間段內發(fā)布。

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

圖1：FlexRay車(chē)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)現車(chē)載控制和信息娛樂(lè )應用。

FlexRay定義了一種雙通道的10Mbps數據結構。每個(gè)通道可以用來(lái)獨立地實(shí)現冗余機制，匯聚數據速率可達20Mbps。FlexRay聯(lián)盟的核心成員包括寶馬、通用汽車(chē)、大眾、戴姆勒克萊斯勒、博世、飛思卡爾半導體和恩智浦半導體(NXP Semiconductors，下文簡(jiǎn)稱(chēng)NXP)等。他們希望FlexRay能成為先進(jìn)的傳動(dòng)系統、底盤(pán)和線(xiàn)傳控制汽車(chē)系統的標準，即便它的成本比目前到廣泛使用的1Mbps CAN協(xié)議高得多。大多數成員認為FlexRay將與其它協(xié)議共存，而不會(huì )替代它們。

“FlexRay最初是專(zhuān)門(mén)針對容錯和冗余設計的，現在它也正被用來(lái)在提高帶寬，特別在可以利用CAN等其他網(wǎng)絡(luò )實(shí)現更高帶寬的地方。”NEC電子美國公司汽車(chē)策略業(yè)務(wù)部首席技術(shù)應用工程師Jens Eltze表示。

“一些汽車(chē)制造商不太愿意采用基于FlexRay、FireWire等新技術(shù)的標準。在其他公司加入進(jìn)來(lái)之前，他們不想冒可能成功也可能不成功的風(fēng)險。”NEC電子美國公司汽車(chē)策略業(yè)務(wù)部營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Dave Stone表示。

圖2：恩智浦半導體公司的TJA1080A FlexRay收發(fā)器是首個(gè)在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )方面得到認證的節點(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(chē)公司正在合作開(kāi)發(fā)低成本的FlexRay收發(fā)器件。他們計劃進(jìn)一步增強研發(fā)力量，開(kāi)發(fā)FlexRay車(chē)載網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。

他們合作的目標是提高車(chē)內數據通信的可靠性并降低成本，例如優(yōu)化的FlexRay拓撲可以集成大量的節點(diǎn)。此外，這兩家公司設計了一個(gè)位整形器電路，可以讓汽車(chē)OEM商和一流供應商通過(guò)采用更低成本的配線(xiàn)類(lèi)型，降低電纜成本。這兩家公司還計劃合作開(kāi)發(fā)針對FlexRay芯片的測試流程。

“FlexRay芯片的價(jià)格肯定會(huì )降下來(lái)，以縮小FlexRay和CAN實(shí)現之間的巨大成本差異。”NXP業(yè)務(wù)線(xiàn)汽車(chē)安全與舒適事業(yè)部高級總監和總經(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(zhù)推出了TJA1081和TFA1082節點(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(wàn)個(gè)符合物理層規范的FlexRay收發(fā)器。十多年來(lái)，該公司已是FlexRay芯片以及CAN和LIN器件的領(lǐng)先供應商。

“在今后十年中，CAN將是車(chē)載網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的首選。”Versluij認為(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(xiàn)傳控制應用設計的，但大多數汽車(chē)應用使用CAN就能處理的單通道拓撲。CAN采用SAE的J1850總線(xiàn)工作，后者被廣泛用于車(chē)載故障診斷(OBD)II。

圖3：今后幾年里恩智浦半導體公司車(chē)載網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的市場(chǎng)份額有望不斷增長(cháng)，其中CAN將接管大多數節點(diǎn)應用。

Versluij還指出，FlexRay在元器件級別的實(shí)現成本要超過(guò)CAN。“但在系統級，情況則不一樣。” Mentor Graphics的系統工程事業(yè)部的總經(jīng)理Serg Leef認為，“CAN在帶寬和可靠性方面具有很大的局限性。為對此進(jìn)行補償，工程師在設計網(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)到達的可能性，但這也降低了CAN的性?xún)r(jià)比。”

NEC電子美國公司等IC制造商正在繼續更新其智能傳感器和高級控制器的汽車(chē)產(chǎn)品線(xiàn)，以支持所有的流行的車(chē)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)器內的標準單元和內核。”TI公司模擬/混合信號部門(mén)的系統工程師Scott Monroe表示。他指出，雖然CAN在車(chē)內的用量有很大增長(cháng)，但需要將那些非緊急的CAN節點(diǎn)與安全關(guān)鍵性節點(diǎn)分開(kāi)。

MCU也被大量用于FlexRay網(wǎng)絡(luò )。飛思卡爾半導體的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展架構(MESA)傳動(dòng)系統中選用了這款I(lǐng)C。MESA傳動(dòng)系統提供高達100英里的純電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)技術(shù)。

汽車(chē)內的MCU(經(jīng)常被用作電子控制單元(ECU))的數量越來(lái)越多，這不僅增加了成本，而且這些MCU提供的過(guò)多控制功能不斷增加了復雜性。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(chē)載網(wǎng)絡(luò )中汽車(chē)功能的一個(gè)特定子集。設計師正在試圖將車(chē)內典型的35至40個(gè)MCU(有的車(chē)型甚至有多達100個(gè) MCU)精簡(jiǎn)到20至25個(gè)集成相同功能的單元。然而，對那些具有許多ECU的高級設計來(lái)說(shuō)，CAN可能會(huì )達到其極限。

對汽車(chē)來(lái)說(shuō)高等級的決斷和實(shí)時(shí)響應需求非常關(guān)鍵。告警系統問(wèn)題是在檢測往前開(kāi)的汽車(chē)在直行或變更車(chē)道時(shí)是否在車(chē)道內或車(chē)道外時(shí)發(fā)生的。汽車(chē)防撞告警系統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雜的三維場(chǎng)景。

種類(lèi)繁多的CAN

市場(chǎng)上有許多版本的CAN協(xié)議。CAN在車(chē)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CAN(FT-CAN)、高速CAN(HS CAN)和單線(xiàn)CAN(SW-CAN)。所有CAN都用于車(chē)門(mén)、天窗、儀表板、溫度控制等自動(dòng)車(chē)身控制功能。HS-CAN還用于傳動(dòng)系應用，包括引擎、傳動(dòng)和變速箱以及防抱死剎車(chē)系統(ABS)。

另外一種CAN是時(shí)間觸發(fā)式CAN(TT-CAN)。然而，許多人對TT-CAN抱懷疑態(tài)度，主要原因是TT-CAN線(xiàn)纜長(cháng)度很有限。帶寬在1Mbps時(shí)最大長(cháng)度只有40米，因此只能局限于短距離應用。

“當你忽略CAN協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)而把它用于較長(cháng)的線(xiàn)路長(cháng)度時(shí)，那它就不是CAN了。”CAN協(xié)議最早開(kāi)發(fā)人員之一、CC Group公司首席執行官Wolfhard Lawrence表示。目前他專(zhuān)業(yè)從事汽車(chē)軟件、系統和網(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，以表征基于實(shí)際CAN的通信架構中的抖動(dòng)特性。他們提出了一種更具確定性的FlexCAN，這是一種用于線(xiàn)傳控制應用的拓撲，不會(huì )降低靈活性(圖4)。

圖4：FlexCAN是一種用于線(xiàn)傳控制應用的拓撲，不會(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之間達到開(kāi)銷(xiāo)、復雜性、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(chēng)為“Goldilocks”,并指出，這不是單個(gè)協(xié)議，而是基于單個(gè)消息調度原理的協(xié)議集(圖5)。

圖5：Goldilocks控制器試圖在開(kāi)銷(xiāo)、復雜性、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(chē)載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，在性能和功能方面與FlexRay車(chē)載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相比極具競爭力。(來(lái)源：Dephi Automotive公司)

Goldilocks與CAN的優(yōu)先級仲裁是一致的，但它基于DMA原理執行調度和離線(xiàn)仿真。另外，它不限制仲裁總線(xiàn)速度。

在低成本方面，LIN總線(xiàn)為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )應用提供每節點(diǎn)最低的成本。這種串行總線(xiàn)能以最快19,200波特的速度實(shí)現智能傳感器和激勵器的互連，線(xiàn)纜長(cháng)度最長(cháng)達40米。LIN也常被用作CAN子總線(xiàn)。

Atmel公司提供第二代系列高集成度LIN系統基礎芯片。這些芯片具有6kV靜電放電(ESD)保護和增強的電磁干擾(EMI)性能，所帶的LIN收發(fā)器內置了輸出電壓為3.3/5V的穩壓器。另外，Atmel公司還將推出同時(shí)內置穩壓器和看門(mén)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(chē)座位控制。據該公司介紹，這種技術(shù)可以提供最佳的經(jīng)濟、靈活和功能組合。

Finprom還為自適應車(chē)輛系統提供AVAS數字化車(chē)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(chē)通信通道中的信息密度提高到97%，并將通道內的服務(wù)信息共享降低了3%。AVAS技術(shù)采用標準電源線(xiàn)進(jìn)行通信，兼容CAN和LIN拓撲。

軟件是關(guān)鍵

鑒于車(chē)內大量控制器件、激勵器、傳感器和互連線(xiàn)帶來(lái)的復雜性，軟件成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設計中的關(guān)鍵部分就毫不奇怪了。Vector CANtech公司總裁Bruce D.Emaus指出，汽車(chē)嵌入式軟件的規模非常龐大，今天的高端汽車(chē)要求上百兆字節的軟件代碼。

Emaus表示，他們遵循AUTOSAR等開(kāi)放軟件標準，因此能夠保證軟件代碼的可復用性、軟件開(kāi)發(fā)成本的降低和可移植性。Robert Bosch LLC公司提供的汽車(chē)產(chǎn)品也支持AUTOSAR，并希望這個(gè)標準能成為全球標準。

AUTOSAR等軟件對車(chē)輛之間以及車(chē)輛與基礎設施之間通信的影響將越來(lái)越大。Emaus指出，用戶(hù)功能要求、政府條例要求、網(wǎng)絡(luò )中使用車(chē)輛復用、通信協(xié)議、所使用的OEM特殊網(wǎng)絡(luò )運作策略都在不斷增加，并且系統架構種類(lèi)也在增加，特別是在使用了線(xiàn)傳控制子系統的情況下。所有這些意味著(zhù)軟件增長(cháng)的強烈勢頭。

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

NEC電子美國公司計劃為其32位V850系列MCU以及帶嵌入式FlexRay控制器的V850E/PH03 MCU，開(kāi)發(fā)AUTOSAR兼容的MCAL微控制器驅動(dòng)程序。該公司就這一項目正在與ETAS和KPIT Cummins Infosystems展開(kāi)合作。

Mentor Graphics公司展示了首個(gè)針對AUTOSAR的支持工具。這個(gè)名為Volcano車(chē)輛系統架構(VSA)的工具還支持針對FlexRay、CAN和 LIN的嵌入式軟件設計。Volcano的模型驅動(dòng)設計流程可以幫助用戶(hù)減少設計汽車(chē)元件、嵌入式軟件和網(wǎng)絡(luò )中采用的下行數據驗證和物理原型創(chuàng )建的工作量。用戶(hù)可以在軟件編程流程之前進(jìn)行關(guān)鍵的設計決策和驗證，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(lèi)總線(xiàn)通信系統的數據交換格式，稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)交換格式(FIBEX)，用于幫助AUTOSAR軟件的開(kāi)發(fā)。這種格式以XML為基礎，包含了描述整個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )所需的所有信息。這些信息包括網(wǎng)絡(luò )拓撲、配置參數、調度、幀、信號及其位級的編碼。FIBEX已經(jīng)成為 FlexRay總線(xiàn)系統的一種標準。

Vector Informatik還與The MathWorks公司合作使其設計工具與AUTOSAR應用程序具有互操作性。用戶(hù)可以在Vector Informatik公司用于A(yíng)UTOSAR的Davinci Developer中定義元件架構，然后將元件導出到the MathWorks公司的Simulink中去。

一些領(lǐng)先汽車(chē)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(lái)改進(jìn)設計，并實(shí)現高度復雜和集成的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統。這是因為它們能創(chuàng )建一個(gè)公共平臺用于共享系統規范和開(kāi)發(fā)思想，這樣的網(wǎng)絡(luò )系統包括AUTOSAR、FlexRay、CAN和LIN。

支持AUTOSAR的另一家公司是提供開(kāi)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(hù)可以仿真復雜大規模ECU網(wǎng)絡(luò )中的單獨軟件模塊，并驗證所有軟件模塊間的交互。

Synopsys公司提供的Saber開(kāi)發(fā)環(huán)境可用于確保信號完整性的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )仿真和分析。Synopsys公司技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)負責人Thorsten Gerke表示，許多車(chē)載網(wǎng)絡(luò )元件和網(wǎng)絡(luò )版圖會(huì )影響信號完整性，包括電感、變阻器、電纜類(lèi)型和長(cháng)度以及電纜終端。