基于FPGA的可重配置系統(tǒng)在新興汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用

多種新興汽車(chē)總線系統(tǒng)可在汽車(chē)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間提供數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，應(yīng)用涉及從門(mén)鎖到極其復(fù)雜的多媒體終端等方方面面。對(duì)每個(gè)總線的需求各不相同，在低端應(yīng)用需要低成本相對(duì)低速率的總線，在高端應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)會(huì)最終勝出，許多汽車(chē)OEM都支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)設(shè)計(jì)師而言，這些不確定性會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期并可能最終導(dǎo)致失去商機(jī)。

本文介紹的基于FPGA的可重配置系統(tǒng)可以在設(shè)計(jì)后期甚至量產(chǎn)階段通過(guò)重新編程以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的改變?？偩€接口可以以配置IP內(nèi)核的形式提前進(jìn)行驗(yàn)證，這樣可以節(jié)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(tǒng)及其速率。

車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和移動(dòng)信息設(shè)備，特別是車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)，需要功能很強(qiáng)的操作系統(tǒng)及互連性。目前，有數(shù)個(gè)組織和聯(lián)盟引領(lǐng)著汽車(chē)總線的標(biāo)準(zhǔn)化方向，這包括MOST協(xié)作聯(lián)盟、IDB論壇和藍(lán)牙SIG等等(圖1)。

面向多媒體的系統(tǒng)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(shè)備，這些設(shè)備包括汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字無(wú)線電、顯示器、蜂窩電話及DVD。MOST技術(shù)已被優(yōu)化為可以使用塑料光纖，支持的數(shù)據(jù)傳送率高達(dá)24.8Mbps，在設(shè)備層具有很高的可靠性和可擴(kuò)充性，同時(shí)還可完全支持實(shí)時(shí)音頻和壓縮視頻。MOST總線已經(jīng)被寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、Harman Becker、

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

Becker汽車(chē)系統(tǒng)公司將其應(yīng)用于最新型的BMW 7系列中。

智能傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(IDB)

IDB論壇為那些從事開(kāi)發(fā)售后市場(chǎng)和便攜式設(shè)備的OEM公司推出IDB-C和IDB-1394以及標(biāo)準(zhǔn)的IDB接口?；贑AN總線的IDB-C可應(yīng)用于數(shù)據(jù)率為250Kbps的設(shè)備中。IDB-C 的應(yīng)用包括了在數(shù)字電話、PDA及音頻系統(tǒng)等這些數(shù)字消費(fèi)設(shè)備間建立互連。

IDB-1394(基于IEEE-1394 Firewire)被設(shè)計(jì)用于高速多媒體應(yīng)用，這些應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)合包括DVD和CD換片機(jī)、顯示器、音頻和視頻系統(tǒng)。IDB-1394還允許1394便攜式消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)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(dāng)前為消費(fèi)市場(chǎng)提供1394物理層設(shè)備的供應(yīng)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(shù)字視頻攝像機(jī)、帶有兩個(gè)顯示器的Sony Playstation II游戲機(jī)和一臺(tái)DVD播放器進(jìn)行即插即用的互連。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線(D2B)通訊網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線(D2B)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議用于整合數(shù)字音頻、視頻及其它高數(shù)據(jù)率同步、異步信號(hào)的多媒體數(shù)據(jù)通訊，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)11.2Mbps。數(shù)據(jù)總線既可以沿非屏蔽雙絞線-叫“靈巧線”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(guó)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(tǒng)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(dāng)時(shí)有何種設(shè)備在線都可適應(yīng)。這意味著新設(shè)備在生命期內(nèi)可輕易連進(jìn)網(wǎng)絡(luò)。采用D2B光纖多媒體系統(tǒng)的汽車(chē)制造商可以發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)涉及的技術(shù)都是他們?cè)私獾?。?biāo)準(zhǔn)具有向后兼容性可確保新產(chǎn)品在整個(gè)生命期內(nèi)都可加入到汽車(chē)系統(tǒng)中去。D2B光纖基于一個(gè)開(kāi)放架構(gòu)，在光纖環(huán)中加一個(gè)新設(shè)備或新功能時(shí)僅做簡(jiǎn)單擴(kuò)展而無(wú)需改變電纜配線?？偩€僅使用一根纜線，一根聚合物光纖或一根銅纜線都可以用以處理車(chē)內(nèi)多媒體數(shù)據(jù)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(shù)量，還顯著減輕了整個(gè)系統(tǒng)的重量。
















圖2：一個(gè)通用的車(chē)內(nèi)多媒體設(shè)計(jì)框圖。

藍(lán)牙

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是一種低成本、低功耗、短距離無(wú)線技術(shù)，適用于移動(dòng)設(shè)備及WAN/LAN接入點(diǎn)。它是一個(gè)計(jì)算和無(wú)線通訊工業(yè)規(guī)范，描述了如何輕易地將移動(dòng)電話、PDA和計(jì)算機(jī)進(jìn)行互連，并且使用短程無(wú)線連接將家庭與商業(yè)電話、計(jì)算機(jī)進(jìn)行互連。

舉個(gè)例子，駕駛員能夠使用藍(lán)牙無(wú)線耳機(jī)與自己口袋中的蜂窩電話進(jìn)行通訊。結(jié)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(lán)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(tǒng)FlexRay

FlexRay是專門(mén)瞄準(zhǔn)下一代汽車(chē)應(yīng)用或“線控”應(yīng)用的新網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，線控應(yīng)用需要高速總線系統(tǒng)，這些高速總線系統(tǒng)必須是確定性、容錯(cuò)并可以支持分布控制系統(tǒng)。寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、飛利浦半導(dǎo)體、摩托羅拉(半導(dǎo)體業(yè)務(wù)現(xiàn)稱為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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

FlexRay通信系統(tǒng)更像是一個(gè)通信協(xié)議，它包含一個(gè)特別設(shè)計(jì)的高速收發(fā)信機(jī)，并定義了FlexRay“節(jié)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(tǒng)里通信進(jìn)程的功能和格式。該技術(shù)被設(shè)計(jì)用于滿足關(guān)鍵的汽車(chē)需求，諸如可靠性、實(shí)用性、靈活性以及高數(shù)據(jù)率以彌補(bǔ)車(chē)內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)如CAN、LIN和MOST的不足。
由于汽車(chē)電子控制部件(ECU)通信數(shù)據(jù)量不斷增加，因此獲得高數(shù)據(jù)率至關(guān)重要。FlexRay最初目標(biāo)是數(shù)據(jù)率達(dá)到10Mbps，不過(guò)，現(xiàn)在該協(xié)議也可以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)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(cuò)的實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)，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(yīng)對(duì)關(guān)鍵的安全應(yīng)用。TTP因其嚴(yán)謹(jǐn)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(dāng)同時(shí)發(fā)送多個(gè)需求信息時(shí)會(huì)出現(xiàn)高峰負(fù)荷(peakload)，CAN的非破壞性無(wú)仲裁機(jī)制可以保證根據(jù)按標(biāo)示的優(yōu)先級(jí)傳輸信息。對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做流程分析以確保滿足所有傳輸甚至高峰負(fù)荷的最終期限，為了解決這個(gè)問(wèn)題，TTCAN應(yīng)運(yùn)而生。


TTCAN是CAN協(xié)議的擴(kuò)展，它在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的頂端有個(gè)會(huì)話層，該協(xié)議執(zhí)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(tǒng)、傳動(dòng)和通過(guò)線控應(yīng)用的底盤(pán)控制。


FPGA助設(shè)計(jì)師走出設(shè)計(jì)困境

可重配置平臺(tái)允許設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)流程后期甚至量產(chǎn)中改變系統(tǒng)總線或接口。可重配置系統(tǒng)概念使對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嘗試、測(cè)試、使用成為可能，并且如果發(fā)現(xiàn)他們和已經(jīng)安裝在車(chē)?yán)锏牧硪粋€(gè)總線接口不匹配，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(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)可以讓設(shè)計(jì)師控制從原型到量產(chǎn)前以及量產(chǎn)中的所有階段?；贏SIC或ASSP器件沒(méi)有這種靈活性和可控制性。PLD可以減緩庫(kù)存問(wèn)題，因?yàn)檫@種通用器件可以用在多個(gè)項(xiàng)目上，而ASIC只能用在特定應(yīng)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)線通信鏈路進(jìn)行重配置以使系統(tǒng)升級(jí)或增加額外功能。


通過(guò)使用IP內(nèi)核模塊，可重配置硬件平臺(tái)可以縮短面市時(shí)間，例如，MemecDesign的CAN內(nèi)核包含完整的數(shù)據(jù)鏈路層，其中包括成幀器、收發(fā)控制、糾錯(cuò)內(nèi)核設(shè)計(jì)和柔性接口以獲取每個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)的狀態(tài)和幀參考。位速率和子位節(jié)段能重新配置以滿足所連CAN總線的特殊時(shí)序要求，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤中斷事件會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤。該內(nèi)核被設(shè)計(jì)可提供的總線速率達(dá)1Mbps，其最低內(nèi)核時(shí)鐘頻率是8MHz。CAN內(nèi)核可以在信息濾波器、信息優(yōu)先機(jī)制和各種系統(tǒng)功能諸如傳感器/激勵(lì)器控制之間提供一個(gè)接口。另外，它也可以嵌入到系統(tǒng)應(yīng)用中作為于微控制器和各種外設(shè)功能的接口。

不用使用分立器件，僅把IP內(nèi)核用于更復(fù)雜設(shè)計(jì)的一部分就可以給CAN或LIN總線提供接口。減少元件數(shù)量可以帶來(lái)諸如降低整個(gè)系統(tǒng)的成本、降低庫(kù)存、提高系統(tǒng)可靠性和減少PCB復(fù)雜性和層數(shù)等多方面的好處。如圖2顯示顯示了一個(gè)通用的車(chē)內(nèi)多媒體設(shè)計(jì)框圖，該設(shè)計(jì)使用了CAN內(nèi)核、PCMCIA接口、PCL橋接、IDE接口和其他功能，在設(shè)計(jì)階段這些功能可以修改、變化，也可以根據(jù)終端用戶的要求進(jìn)行修改，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中的FPGA進(jìn)行重配置，這個(gè)模式還可以擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)修改或升級(jí)系統(tǒng)。