發布日期：2022-07-14 點擊率：40
在汽車電子或汽車總線領域,前端時間大家討論最多的是link_KEYWORD0在寶馬最新X5豪華SUV中的應用。FlexRay控制X5的自動駕駛系統,能夠對隨時變化的道路狀況進行快速的反應并作出補償。
在X5的底盤和懸掛控制系統中采用FlexRay似乎是個良好的開端。不過真正的用意在于為駕駛一族提供新一代的汽車控制總線,同時有助于獲取實際應用中有關系統運行方面的更多信息。許多其他的汽車制造商也在期盼加快FlexRay總線的研發速度。
一些具備 FlexRay功能的新型汽車將會在2008,2009和2010年面市,屆時該總線的作用將會越來越突出。就像X5的自動駕駛系統一樣,FlexRay總線的部署將會從某幾個控制系統開始來取代CAN(控制器區域總線)總線。其他的FlexRay部署將能夠實現一些CAN無法支持的新應用。在此期間,FlexRay總線將會和迄今為止仍是最重要的汽車總線CAN一起并存。而LIN(本地互聯網絡總線)總線將更適合于控制窗戶和其他一些簡單的功能,在短期內似乎也不會退出市場。
不過隨著汽車變得愈加復雜以及更多系統的加入,往CAN和LIN總線無法提供的更復雜的控制總線過渡是毫無疑問的。
無論是對于安全還是性能,FlexRay很快就會顯示其重要性。最終,它將會成為所有安全和駕駛性能的主要通信通道。這一技術革新的優點包括了降低制造成本和提高可靠性。
如果用更技術性的語言來表達,那就是未來汽車需要FlexRay提供的較高帶寬(10 Mbits/s,而CAN的帶寬僅為1 Mbit/s),而且其確定性協議能夠確保對關鍵任務的超快速響應。
作為能夠支持汽車線控(線控駕駛,線控剎車等)的技術,FlexRay顯然能夠將汽車性能提高到前所未有的水平。還有其他一些趨勢也推動著它的普及,包括制造效率,安全法規以及消費者對便利性需求的增加等。
出于這些原因,在FlexRay中設計了10-Mbit/s帶寬、內置的容錯功能、還有確定性的協議。汽車技術中的每一個進展都是逐步演進的。因此FlexRay也能夠適應多種網絡拓撲結構-線性節點、無源星形、有源星形以及幾種模式的組合。由于它具有可升級性,因此能夠滿足未來幾十年可能出現的新技術挑戰。
演進而非革命
汽車電子在定義駕駛體驗中正起著越來越大的作用。從發動機管理開始,緊隨其后的是汽車音響。如今,包括傳動系、車身、底盤、輔助駕駛系統以及主動和被動安全系統在內的所有主要系統都實現了電子控制。
早在90年代初,人們就已經清楚地認識到,將這些系統組網到一起實現相互交互具有許多優點。CAN正是在那時推出的。
以前,每一個電子控制單元(ECU)都是一個獨立自治的功能單位。隨著ECU數量的不斷增加,以及電子控制系統所能提供的技術能力的增強,發展趨勢開始從組網到一起的ECU轉向功能分散到多個ECU上實現的分布式系統。
但隨著系統越來越復雜,人們又認識到車內網絡不僅要提供更快速的數據傳送,而且還必須提供確定性的和具備容錯功能的通信鏈路。于是,唯一的發展之路就是先進的分布式控制系統。
FlexRay的研發始于2000年由下述四家公司創立的一個行業聯盟,這四家公司分別是寶馬、戴姆勒克萊斯勒、恩智浦(當時的飛利浦半導體 )和摩托羅拉SPS(即現在的飛思卡爾半導體公司)。在過去六年里,FlexRay聯盟又增加了120多家公司。
從芯片開始應用FlexRay
在汽車中用芯片實現最新的FlexRay 2.1協議要求具有頻率高達80MHz的32位微控制器的處理能力,這相當于英特爾早期的奔騰微處理器的處理能力。
此外,芯片需要使用多層總線—這是早期奔騰微處理器都不具備。
還需記住的是,FlexRay還要在未來與其他的汽車總線共存一段時間,于是當芯片用于網關設備時,它必須能夠整合三種不同類型的通信控制器,即前面提到的FlexRay 2.1通信控制器,至少5個或6個CAN 2 控制器,以及多個LIN 2 主控制器。
FlexRay決非一個簡單的協議。要成功實現這樣的芯片設計,必須對其所控制的系統、這些系統所用的設備和環境都有深入的理解。而單從芯片設計的角度來看,也具有很高的復雜度。
在設計FlexRay控制器時,可用的架構方案有可能不止一個,而且在實現每項功能時也有許多選擇。架構和設計的變化組合可能有許多種-但能夠實現最好性能并具有最低成本的只有一種。
圖1所示為最高層架構的兩種選擇:(1)以通信控制器為中心的芯片方案；(2)以微控制器為中心的芯片架構。
圖1 針對完整的FlexRay 2.1控制器芯片的兩種架構出發點
在以控制器為中心的方案中,主要是將控制器嵌入到MCU裸模上,也就是IP模塊的直接集成。而以MCU為中心的方案則要求較多的時間、精力和創造力-必須用非常精細的方式將控制器的功能集成到MCU中,以便實現與MCU的緊耦合。
后面一種方案實現起來比較困難,而且需要較多的應用經驗。但也能產生較好的效果。
芯片性能的關鍵是控制器-主機接口。精密集成為芯片設計師提供了全新設計的機會,而無需再利用FlexRay獨立控制器芯片上提供的接口。
通過設計能充分利用MCU固有優點的客戶定制接口,例如ARM 9的多層系統總線,能夠進一步提升系統性能和靈活度。這種架構還能確保較大范圍的可升級性。
圖2簡單表述了以MCU為中心的較為細節方案。
圖2 控制器-主機接口是FlexRay的關鍵性能預測器
協議引擎是通信功能中另外一個關鍵因素。FlexRay不是一個簡單協議:它將根據環境的要求隨時改變。協議引擎必須高效靈活并忠實于標準。只有對協議本身以及對許多使用場合如何反應具備非常深入的理解,才能實現這些特性。
FlexRay聯盟中120多家公司這個數量還相對較少。要想開發出好的FlexRay器件并使整個系統正常工作,還有必要充分理解整個協議以及它與系統中其他部件之間的相互作用。
為了確保符合FlexRay標準,協議引擎最好是基于能夠完全表征FlexRay標準的模型之上,即眾所周知的‘參考模型’。
飛思卡爾半導體公司和恩智浦半導體公司這兩個FlexRay聯盟的創始成員積累了各自的經驗,并創建了大多數觀察人士相信能夠提供最佳性能的協議引擎。該引擎采用了一個頗具特色的控制器-主機-接口概念,從而使其更具獨特的特性。
質量保證
FlexRay芯片市場無疑將快速增長并將最終做大。因此,許多半導體廠商正在加入FlexRay的研發潮流中。
為了確保安全性、魯棒性和互操作性,FlexRay聯盟求助備受尊敬的一致性測試組織-T?V Rheinland Group來執行一致性測試。
在初期的FlexRay控制器中,恩智浦半導體公司的SJA2510具有幾個鮮明的特點。基于ARM7或ARM9內核的SJA2510采用上面所述的以MCU為中心的架構,因此它能為設計師和終端用戶提供上述所有優點。
特別是它還提供了周期復用,這是汽車工程師們特別期望的一個功能。周期復用能夠使工程師們更有效率地利用帶寬,因為每個周期內的每個時隙能夠被多個數據流復用,而不是保留一個很少使用的獨立時隙。該技術進一步提高了系統效率,特別是當刷新數據之間的時隙超過周期時間的時候。
FleaRay收發器
如圖2所示,收發器也是實現FlexRay的一個關鍵器件。該器件工作在物理層,負責發送和接收通過FlexRay總線傳送的從一個芯片到另一個芯片的實際電信號。
對于以前的汽車網絡,例如CAN,其收發器的設計相對簡單。不過FlexRay的收發器卻并非如此。該收發器對總線上所傳送的信號時序和波形的容差性能非常苛刻。
正如前面所指出的那樣,FlexRay標準定義了三種網絡拓撲架構:無源節點、無源星形和有源星形。由于每種拓撲架構對收發器的要求不同,因此收發器必須具備處理無源架構和有源架構的雙重能力。
之所以說這一點非常關鍵,是因為以下幾個原因。很少關注的一個事實是,設計師團隊在初期設計中可能采用無源架構,然后隨著經驗知識和系統要求的增加逐步過渡到有源拓撲架構。收發器能夠處理兩種拓撲架構的能力意味著,隨著設計復雜度的增加設計師無需切換成另一個新器件。
目前只有恩智浦半導體公司才具有這類通用的FlexRay收發器。其TJA1080是全球首款全功能的FlexRay收發器。它還能提供許多標準之外的功能以及FlexRay v2.1標準所規定的可選功能。它不僅能夠充分地支持節點配置和星形配置,還具有出色的ESD防護性能和功率管理性能。BWM X5中用的就是TJA1080,其中既有節點配置,也有星形配置。
深遠影響
FlexRay正在改變合作規則。隨著汽車電子成為汽車功能和性能背后更主要的驅動力,汽車制造商已經向合作模式邁進了許多。在該模式中,他們更多地依賴半導體廠商設計出能夠控制汽車功能和性能的一些芯片。
FlexRay的采用將加速這種趨勢。但在芯片制造商內部,相對于系統級經驗來說,純芯片設計的能力顯得越來越不重要了。FlexRay的復雜性使得芯片制造商不可能通過在現有芯片中簡單地集成IP模塊來提高競爭能力。
實際中將需要更全面和更具整體性的解決方案。但這只有在具備以下條件的情況下才能實現,即在標準研發中進行了長期投入,有實地嚴酷模擬的雄偉計劃,以及具備上一代汽車電子技術的成功研發歷史。
把能夠滿足上述條件的半導體廠商作為合作伙伴,才能確保汽車制造商能夠生產出高性能的、具有更高安全性和可靠性的汽車,并為用戶全面提供更好的駕駛體驗。
作者:Toni Versluijs
業務研發經理
恩智浦半導體公司
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 成本與性價比優勢成就
