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FlexRay为实现更高级的驾驶体验铺平了道路 |
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作者：Toni Versluijs |
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在汽车电子或汽车总线领域，前端时间大家讨论最多的是LINK_KEYWORD0在宝马最新X5豪华SUV中的应用。FlexRay控制X5的自动驾驶系统，能够对随时变化的道路状况进行快速的反应并作出补偿。
在X5的底盘和悬挂控制系统中采用FlexRay似乎是个良好的开端。不过真正的用意在于为驾驶一族提供新一代的汽车控制总线，同时有助于获取实际应用中有关系统运行方面的更多信息。许多其他的汽车制造商也在期盼加快FlexRay总线的研发速度。
一些具备 FlexRay功能的新型汽车将会在2008，2009和2010年面市，届时该总线的作用将会越来越突出。就像X5的自动驾驶系统一样，FlexRay总线的部署将会从某几个控制系统开始来取代CAN(控制器区域总线)总线。其他的FlexRay部署将能够实现一些CAN无法支持的新应用。在此期间，FlexRay总线将会和迄今为止仍是最重要的汽车总线CAN一起并存。而LIN(本地互联网络总线)总线将更适合于控制窗户和其他一些简单的功能，在短期内似乎也不会退出市场。
不过随着汽车变得愈加复杂以及更多系统的加入，往CAN和LIN总线无法提供的更复杂的控制总线过渡是毫无疑问的。
无论是对于安全还是性能，FlexRay很快就会显示其重要性。最终，它将会成为所有安全和驾驶性能的主要通信通道。这一技术革新的优点包括了降低制造成本和提高可靠性。
如果用更技术性的语言来表达，那就是未来汽车需要FlexRay提供的较高带宽(10 Mbits/s，而CAN的带宽仅为1 Mbit/s)，而且其确定性协议能够确保对关键任务的超快速响应。
作为能够支持汽车线控(线控驾驶，线控刹车等)的技术，FlexRay显然能够将汽车性能提高到前所未有的水平。还有其他一些趋势也推动着它的普及，包括制造效率，安全法规以及消费者对便利性需求的增加等。
出于这些原因，在FlexRay中设计了10-Mbit/s带宽、内置的容错功能、还有确定性的协议。汽车技术中的每一个进展都是逐步演进的。因此FlexRay也能够适应多种网络拓扑结构-线性节点、无源星形、有源星形以及几种模式的组合。由于它具有可升级性，因此能够满足未来几十年可能出现的新技术挑战。
演进而非革命
汽车电子在定义驾驶体验中正起着越来越大的作用。从发动机管理开始，紧随其后的是汽车音响。如今，包括传动系、车身、底盘、辅助驾驶系统以及主动和被动安全系统在内的所有主要系统都实现了电子控制。
早在90年代初，人们就已经清楚地认识到，将这些系统组网到一起实现相互交互具有许多优点。CAN正是在那时推出的。
以前，每一个电子控制单元(ECU)都是一个独立自治的功能单位。随着ECU数量的不断增加，以及电子控制系统所能提供的技术能力的增强，发展趋势开始从组网到一起的ECU转向功能分散到多个ECU上实现的分布式系统。
但随着系统越来越复杂，人们又认识到车内网络不仅要提供更快速的数据传送，而且还必须提供确定性的和具备容错功能的通信链路。于是，唯一的发展之路就是先进的分布式控制系统。
FlexRay的研发始于2000年由下述四家公司创立的一个行业联盟，这四家公司分别是宝马、戴姆勒克莱斯勒、恩智浦(当时的飞利浦半导体 )和摩托罗拉SPS(即现在的飞思卡尔半导体公司)。在过去六年里，FlexRay联盟又增加了120多家公司。
从芯片开始应用FlexRay
在汽车中用芯片实现最新的FlexRay 2.1协议要求具有频率高达80MHz的32位微控制器的处理能力，这相当于英特尔早期的奔腾微处理器的处理能力。
此外，芯片需要使用多层总线—这是早期奔腾微处理器都不具备。
还需记住的是，FlexRay还要在未来与其他的汽车总线共存一段时间，于是当芯片用于网关设备时，它必须能够整合三种不同类型的通信控制器，即前面提到的FlexRay 2.1通信控制器，至少5个或6个CAN 2 控制器，以及多个LIN 2 主控制器。
FlexRay决非一个简单的协议。要成功实现这样的芯片设计，必须对其所控制的系统、这些系统所用的设备和环境都有深入的理解。而单从芯片设计的角度来看，也具有很高的复杂度。
在设计FlexRay控制器时，可用的架构方案有可能不止一个，而且在实现每项功能时也有许多选择。架构和设计的变化组合可能有许多种-但能够实现最好性能并具有最低成本的只有一种。
芯片性能的关键是控制器-主机接口。精密集成为芯片设计师提供了全新设计的机会，而无需再利用FlexRay独立控制器芯片上提供的接口。
通过设计能充分利用MCU固有优点的客户定制接口，例如ARM 9的多层系统总线，能够进一步提升系统性能和灵活度。这种架构还能确保较大范围的可升级性。
控制器-主机接口是FlexRay的关键性能预测器
协议引擎是通信功能中另外一个关键因素。FlexRay不是一个简单协议：它将根据环境的要求随时改变。协议引擎必须高效灵活并忠实于标准。只有对协议本身以及对许多使用场合如何反应具备非常深入的理解，才能实现这些特性。
FlexRay联盟中120多家公司这个数量还相对较少。要想开发出好的FlexRay器件并使整个系统正常工作，还有必要充分理解整个协议以及它与系统中其他部件之间的相互作用。
为了确保符合FlexRay标准，协议引擎最好是基于能够完全表征FlexRay标准的模型之上，即众所周知的‘参考模型’。
飞思卡尔半导体公司和恩智浦半导体公司这两个FlexRay联盟的创始成员积累了各自的经验，并创建了大多数观察人士相信能够提供最佳性能的协议引擎。该引擎采用了一个颇具特色的控制器-主机-接口概念，从而使其更具独特的特性。
质量保证
FlexRay芯片市场无疑将快速增长并将最终做大。因此，许多半导体厂商正在加入FlexRay的研发潮流中。
为了确保安全性、鲁棒性和互操作性，FlexRay联盟求助备受尊敬的一致性测试组织-T?V Rheinland Group来执行一致性测试。
在初期的FlexRay控制器中，恩智浦半导体公司的SJA2510具有几个鲜明的特点。基于ARM7或ARM9内核的SJA2510采用上面所述的以MCU为中心的架构，因此它能为设计师和终端用户提供上述所有优点。
特别是它还提供了周期复用，这是汽车工程师们特别期望的一个功能。周期复用能够使工程师们更有效率地利用带宽，因为每个周期内的每个时隙能够被多个数据流复用，而不是保留一个很少使用的独立时隙。该技术进一步提高了系统效率，特别是当刷新数据之间的时隙超过周期时间的时候。
FleaRay收发器
如图2所示，收发器也是实现FlexRay的一个关键器件。该器件工作在物理层，负责发送和接收通过FlexRay总线传送的从一个芯片到另一个芯片的实际电信号。
对于以前的汽车网络，例如CAN，其收发器的设计相对简单。不过FlexRay的收发器却并非如此。该收发器对总线上所传送的信号时序和波形的容差性能非常苛刻。
正如前面所指出的那样，FlexRay标准定义了三种网络拓扑架构：无源节点、无源星形和有源星形。由于每种拓扑架构对收发器的要求不同，因此收发器必须具备处理无源架构和有源架构的双重能力。
之所以说这一点非常关键，是因为以下几个原因。很少关注的一个事实是，设计师团队在初期设计中可能采用无源架构，然后随着经验知识和系统要求的增加逐步过渡到有源拓扑架构。收发器能够处理两种拓扑架构的能力意味着，随着设计复杂度的增加设计师无需切换成另一个新器件。
目前只有恩智浦半导体公司才具有这类通用的FlexRay收发器。其TJA1080是全球首款全功能的FlexRay收发器。它还能提供许多标准之外的功能以及FlexRay v2.1标准所规定的可选功能。它不仅能够充分地支持节点配置和星形配置，还具有出色的ESD防护性能和功率管理性能。BWM X5中用的就是TJA1080，其中既有节点配置，也有星形配置。
深远影响
FlexRay正在改变合作规则。随着汽车电子成为汽车功能和性能背后更主要的驱动力，汽车制造商已经向合作模式迈进了许多。在该模式中，他们更多地依赖半导体厂商设计出能够控制汽车功能和性能的一些芯片。
FlexRay的采用将加速这种趋势。但在芯片制造商内部，相对于系统级经验来说，纯芯片设计的能力显得越来越不重要了。FlexRay的复杂性使得芯片制造商不可能通过在现有芯片中简单地集成IP模块来提高竞争能力。
实际中将需要更全面和更具整体性的解决方案。但这只有在具备以下条件的情况下才能实现，即在标准研发中进行了长期投入，有实地严酷模拟的雄伟计划，以及具备上一代汽车电子技术的成功研发历史。
把能够满足上述条件的半导体厂商作为合作伙伴，才能确保汽车制造商能够生产出高性能的、具有更高安全性和可靠性的汽车，并为用户全面提供更好的驾驶体验。
作者：Toni Versluijs
恩智浦半导体公司业务研发经理 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/11/2008) |
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