汽车总线：寻求更大的带宽 - 文章

汽车总线：寻求更大的带宽

作者：Charles J. Murray

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管流：这是流体动力学词汇，它跟微处理器、软件这些名词的联系显得有些遥远。但在以后十年里，“管流”将变成一个电子词汇。它将意味着汽车制造商必须面对一种计算的困境，这种困境使曾经桌面上的所有一切都变得渺小。来自这种困境的挑战，简单讲，是将每秒千万位的数据推进一个电子管道里，让很多微处理器去互相“交谈”，使之能对汽车上的刹车、节流阀、收音机、光盘播放机、门锁，车窗控制、引擎、传动、座椅马达、加热器、空调、挡风玻璃、刮水器、安全气囊、手机、方向盘和不计其数的其他项目的操作达到完美无暇。这样，就永远不会因为有数据包在网络某处传输延迟而造成刹车失灵、车毁人亡的惨剧了。

“从长远角度看，我们将有需要远远超过现在的更大带宽。”
——philips Semiconductors，Hans De Regt

要完成这些，汽车厂商需要一个巨大的电子数据管道。它要比CAN (Controller Area Network 控制器局域网络) 总线提供的1Mbit/sec大，也许应该比业界新出现的FlexRay总线的20 Mbits/sec还要大。基本上讲，他们将需要一个粗大的管子能每秒吞下上千万，也许是亿万位的数据并吐出位数相当的数据给到正确的位置。没人能确定，但现在几位持乐观想法的工程师相信汽车业内完全可以开始考虑传输速率超出100 Mbits/sec的带宽了。Philips半导体汽车业市场总监Hans De Regt说：“在短期内，我们仍然看到CAN总线作为汽车电路的主流设计总线，但从长远角度看，我们将有可能需要远远超过现在的更大带宽。”

的确，计算上的迫切需求几乎令人瞠目结舌。不仅由于纯粹的大数据量，而且微处理器间的相互交流也是一种需要。最终，工程师将可以预见到了某一天：前导雷达和刹车板；安全气囊“交谈”；手机与收音机“通信”；自感应雨刷器和ABS防抱死装置“对答”。

当然，那样做需要一个更加集中化的系统。微型控制器们自行其是，控制自己“热衷的”单一系统，任何此类架构都将无法满足汽车上电子系统设计的整体需要。Motorola全球软件集团系统工程总监Pat Jordan指出：“我们要从整车的角度出发，从一端到另一端，作为一个大的系统。而这个系统要依靠现在的汽车电子系统总线架构去实现是不合适的。”

总线之上

对于如何去做是有争论的，这是意料之中的事情。甚至有人置疑未来目标的必要性。但几个季度后，一种紧迫感正在业界悄然增长。毕竟通常来讲，汽车工业要以未来五年为战略目标；并且随着历年的连续成功，车载电子系统的复杂性正在疯狂增长。这是为什么几乎所有的汽车工程师都开始拼命地在此技术领域努力研究、改进并将之规范化的原因。

直到今年，越来越多的汽车制造商已经将汽车总线架构转移到FlexRay上了，并将之视为一种解决日益增长的关联复杂的难题的潜在解法。终究FlexRay总线提供的带宽大约是CAN总线的十倍。

然而，去年下半年，Motorola推出了又一种新的选择可能－Switch fabric（交换结构），这种技术的名字来自于电信行业的交换、中转技术。这种技术很有潜力成为下一个汽车电路网络标准。具称，它与CAN总线相比，可以提供100倍甚而1000倍的带宽。

Switch Fabric通过栅格化的路径使栅格网上的任两个独立节点间能做到直接通信，
从而大幅度增加了网络带宽

Jordan认为：“我们端详着Internet互联网并问自己，我们是不是该将互联网的那些优点带进汽车的通信架构里呢？我们认为Switch Fabric是实现这个目标的最佳方式。”

事实上，Motorola的Switch Fabric不是一种数据总线。应该说它是一种节点互联的栅格系统。栅格上的任意一个节点都能通过引线和其他节点直接“对话”。然而，这个概念并非是直接从互联网世界抄袭而来。反之，Motorola这个计算界的巨人构想了一个以汽车为中心的“分布式Switch Fabric”概念。它将有限的节点用作小型的包数据交换机，而数据传输主要通过软件协议实现。而且，在物理层上整合其它数据总线的协议，譬如CAN总线或FlexRay。

这样一来，Switch Fabric和现存的车载电路总线系统（如CAN、J-1850、LIN、ByterFlight，甚至FlexRay）相比，在速度上的收效是空前巨大的。例如，使用CAN总线的物理层，Motorola的分布式Switch Fabric可以提供每个链接各有1 Mbit/sec的带宽的栅格，以256个链接计算，在理论上的最终带宽将是256Mbits/sec。用Switch Fabric协议与FlexRay的物理层连接，每个链接的带宽将提高到10 Mbits。如果一个栅格中有200 个这样的链接，这个栅格系统的整体带宽将接近2Gbits/sec。

“在Switch Fabric中所有通信是点对点的，因此所有链接可以同时发生通信。当然，你可能在现实中永远碰不到这种情况，但这是所有总线架构理论上会遇到的极限情况。重要的是，你从Switch Fabric得到了比CAN总线或其他总线更多的带宽。”Motorola 的Jordan解释说。

突破“婴儿学步”阶段

最终，Motorola的Switch Fabric架构能提供的带宽几乎是无限的。在Switch Fabric同样迅速地引起关注的电信界，工程师正在谈论2T bits/sec 的带宽。但没人敢把这个数字量级与汽车工业联系在一起，Motorola 工程师却表示他们的Switch Fabric协议所能提供的网络速度超过现在最普遍采用的汽车总线——CAN总线的1000倍。

Motorola工程师强调他们的Switch Fabric概念如此不同是因为它根本就不是什么总线架构。Jordan认为：“对于任何一种总线架构来讲，数据不得不经过总线上的每个模块。所以，在某个时间点，你将被迫陷入带宽问题。”

Motorola的Switch Fabric用栅格化的节点网络技术将汽车总线网络带宽扩大了100倍，
并使工程师能够在一个端到端的汽车整体网络中设计电子线路。

专家说汽车工程师发明的这个概念很引人注目，但作为一种非常长远的解决方案，它还有待更多的观察。汽车电子杂志著名的Hansen 报告（www.hansenreport.com）的出版人Paul Hansen说：“整个汽车工业围绕CAN总线处理带宽问题是一种好的途径，但谁又能预言未来至少10到15年间能发生什么呢？”

许多工程师也认为CAN总线历经了汽车发展近二十年间的各种考验，而一个新的网络要证明自己也需要相似长度的时间。德州仪器混合信号技术汽车业部系统架构工程师Scott Monroe指出：“当你将一个新型网络引入汽车，你必须已经能够处理EMC (电磁兼容性)的问题了，特别是对于比较宽的带宽。今后事实依旧是，你不断设法以一种更高的速率传送数据，和你还要同时设法不让这些遍布汽车的铜导线释放任何电磁辐射。”

然而，Motorola的工程师始终相信时间会证明Switch Fabric的，尤其是因为更多的汽车制造商认识到CAN总线可能已是强弩之末了。“在这一点上，我们不应该如婴儿学步，现在是时候寻求更大改变的可能性了。”Jordan说。

短期方案

在FlexRay方式进入汽车之前，如此重大的变动不太可能会被采用。FlexRay，来源于一种所谓线控（By-wire）的汽车总线应用设计。一开始它被看作一种能在关键安全系统上提供可靠操作的方法。特别是在线控方向盘、线控刹车系统中，因为它提供了高带宽和容错设计，使其得到了世界上绝大多数顶级汽车制造商的青睐，其中包括通用汽车公司，福特，DaimlerChrylser和宝马汽车。

在安全性要求极高的应用领域，FlexRay被认为是一种很有实力的候选方案。因为它采用时间触发的软件架构（而不是事件触发），这种架构能够保证数据中总有一个时隙为重要消息独占。这样一来，它就为驾驶、刹车和其他系统提供了冗余的电平信号。就不用再采用一直以来的液体动力机构作备份系统了。

汽车工程师最近开始试图让FlexRay在汽车里扮演更大的角色。他们认为，在汽车电子系统网络中枢，FlexRay 能轻松解决CAN总线临近极限的带宽问题。一些来自通用汽车公司内部和其他一些地方的工程师想使用FlexRay 像线控驾驶（Drive-by-Wire）一样控制动力传输系统、底盘和气囊。这样一来，带宽再次成为问题的关键：与CAN总线提供的低于1 Mbit/sec 的数据传输速率相比，FlexRay的配置能提供两个通道，每通道10 Mbit/sec，共计20 Mbit/sec的传输速率。

所有公司的电子工程师都强调，未来若干年间CAN总线将继续充当在汽车业电子网络架构的统治角色。他们说，CAN总线技术是经历数万人年（man-year 工作量单位）的产品结晶。汽车制造商们不会很快摒弃它的。

德洲仪器的Monroe指出：“在未来十年里，CAN总线将在多数交通工具中的总线系统占统治地位。产业有太多的固有基础设施拖了它的后腿。”

多数工程师相信汽车工业将慢慢改变它的电子架构。最有可能的是，采用一种混合的协议方案。他们认为：FlexRay最终将在车身和底盘上被采用；LIN (Local Interconnect Network 地方互联网络)将应用在低带宽领域，如门锁和窗口马达；在气袋里和其它保险装置中采用Safty-By-Wire（线控安全）而CAN总线将继续控制它的动力传输系统。

最后，他们盼望节点和微控制器的数量得到减少。否则，工程师担心系统过于复杂将使其存在失控风险。

Philips半导体的De Regt说：“再过十年，我们希望看到超级结点、FlexRay在高带宽和LIN在传感和触发上的应用。这样做将减少结点数量，并将更多的应用合并到单一的结点中。”

另一种方式是，多数汽车工程师认识到他们将需要一个比较大的“数据管道”。因为他们正在为面向未来应用的设计不断努力，譬如自动巡航控制、避免碰撞和自动车道保持技术。这些车内数据信号通信量将增加十倍。在这样情况下，电子网络中枢概念（不将系统分成分布的总线系统和网关）的成长将尤为关键。

“面对整辆汽车，你不能完全信任当今的任何一种传统的总线技术。现在任何一种总线的带宽都会限制到你。”Motorola的Jordan总结道。

//有关本文所讨论的安全气囊与侧撞击的更多信息。//
Motorola switch fabric：http://designnews.com.cn/0603-146.aspx
FlexRay：http://designnews.com.cn/0603-147.aspx
CAN buses： http://designnews.com.cn/0603-148.aspx

与DESIGN NEWS资深技术编辑Chuck Murray联系 charles.murray@reedbusiness.com 。
原载《DESIGN NEWS China》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/21/2006)


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