全面剖析FlexRay汽車網(wǎng)絡技術的解決方案

首個投入生產(chǎn)的FlexRay應用是BMW公司X5運動型多功能轎車(SAV)上名為AdaptiveDrive的系統(tǒng)。AdaptiveDrive基于飛思卡爾半導體的32位FlexRay微控制器，它可以監(jiān)視有關車輛速度、方向盤轉度、縱向和橫向加速度、車身和輪子加速度和行駛高度的數(shù)據(jù)。

當駕駛員按下按鈕選擇“運行”或“舒適”駕駛時，AdaptDrive會通過控制抗側傾桿中的旋轉發(fā)動機和減震器上的電磁閥來相應調(diào)整車輛的側角和阻尼(圖1)。控制單元相互作用以防止緊急翻車，BMW工程師選擇了帶10Mbps帶寬的FlexRay以獲得這些控制單元之間的快速數(shù)據(jù)傳輸。

“今年(2007年)將是全球各大汽車制造商加快將FlexRay設計整合到其高端轎車的一年，”NXP半導體公司業(yè)務開發(fā)經(jīng)理Toni Versluijs表示。

“BMW公司已從今年開始在幾個車型中實現(xiàn)FlexRay。下一輛配備FlexRay的車型將在2008、2009和2010年沖擊市場，并將在未來十年越來越多地用于公共汽車上，”他表示，“FlexRay將開始在高端轎車中代替CAN模塊。在低端轎車中，增加的節(jié)點數(shù)將完全得到CAN和LIN的支持，直到FlexRay覆蓋到所有車輛類型中。這將在未來十年里發(fā)生?！?/FONT>

今年早些時候，F(xiàn)lexRay協(xié)會發(fā)布了FlexRay V2.1協(xié)議和物理層一致性測試，從而完成了FlexRay V2.1規(guī)范組。半導體供應商可將通信控制器和物理層器件提交給一致性測試合作伙伴，包括針對協(xié)議一致性的TUV Nord和針對物理層一致性的CS Group和TZ Mikroelektronik公司。產(chǎn)品必須通過一致性測試才能被鑒定為與FlexRay V2.1標準兼容。

“現(xiàn)在，汽車制造商可以受益于不同區(qū)域和跨越其自有轎車平臺的公共標準，這簡化了設計和生產(chǎn)過程，從根本上降低了成本，”FlexRay協(xié)會發(fā)言人、BMW軟硬件部門負責人Claas Bracklo表示。

“通過適當?shù)囊恢滦詼y試，全球的汽車制造商可以在其新的汽車平臺中采用FlexRay開始?！盉racklo表示，既然FlexRay已經(jīng)投入生產(chǎn)，F(xiàn)lexRay的市場采用速度“有望迅速加快”?！癋lexRay協(xié)會的幾個會員已經(jīng)確立了在其汽車平臺中采用FlexRay的最終時間表和計劃，”他表示。

刺激采用FlexRay的另一個因素是NXP和飛思卡爾在合作協(xié)議下開發(fā)的半導體技術，該技術將由IP-Extreme公司提供授權。

NXP公司提供由一個80MHz SJA2510 FlexRay 2.1控制器和一個TJA1080收發(fā)器組成的FlexRay系統(tǒng)。該控制器基于帶有高達1MB的嵌入式閃存和超過48Kb SRAM的32位ARM968 CPU。它具有32個模擬輸入和24個16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出，可以支持6個控制器局域網(wǎng)(CAN) 2.0B控制器和8個本地互連網(wǎng)(LIN) 2.0主控制器。TJA1080工作于節(jié)點和有源星形模式，是眾多FlexRay拓撲中的一個構件。

飛思卡爾公司的FlexRay產(chǎn)品包括MC9S12XFR和MFR4300。MC9S12XFR基于一個帶XGATE協(xié)處理器的16位40MHz HCS12X中央處理器。它還包含一個用于每兩個通道上高達10Mbps的串行通信的FlexRay 2.1協(xié)議模塊、帶可選糾錯碼(ECC)的128KB閃存、2KB電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、16KB隨機存取存儲器(RAM)以及一個0.5MHz～16MHz或0.5MHz～40MHz的石英晶振。MC9S12XFR還包含一個16通道模數(shù)轉換器和6通道PWM，并支持CAN 2.0 A/B。

MFR4300配備可選的FlexRay 2.1單通道或雙通道支持、可通過多達254字節(jié)數(shù)據(jù)配置的128個消息緩沖器，以及兩個可配置接收先進先出(FIFO)消息緩沖器。

NXP和IPextreme公司正在攜手推廣用于驗證FlexRay網(wǎng)絡中片上系統(tǒng)(SoC)設計的FlexRay驗證環(huán)境(圖2)。利用Cadence Design Systems的Cadence Incisive驗證平臺，Yogitech SPA幫助NXP創(chuàng)建了一個供FlexRay客戶使用的電子驗證元件(eVC)。隨后，eVC驗證了FlexRay可執(zhí)行參考模型，從而成為FlexRay一致性測試的基礎。

驗證元件拓寬了NXP公司從產(chǎn)品到IP的FlexRay產(chǎn)品線?！癐Pextreme公司的IP集成應用以及我們的FlexRay驗證元件的授權專門技術將促進高可靠性FlexRay網(wǎng)絡的采用，”NXP公司汽車業(yè)務產(chǎn)品線總經(jīng)理Paul van der Plas表示。

“將這個驗證解決方案與我們從飛思卡爾銷售和支持的FlexRay控制器內(nèi)核捆綁在一起可為任何想將FlexRay接口增加到其芯片的工程師創(chuàng)建一個完整的解決方案，”IPextreme首席執(zhí)行官Warren Savage表示。

Savage已經(jīng)注意到FlexRay標準定義了許多會產(chǎn)生上千種可能的通信配置的選擇方案，他表示，eVC套件使工程師能夠在限定的配置范圍內(nèi)進行受約束的隨機驗證，以確保其實現(xiàn)的正確行為。

Savage介紹道，F(xiàn)lexRay控制器一般由兩個主要區(qū)塊組成：一個控制主機接口(CHI)和協(xié)議引擎(PE)。CHI向FlexRay設置、控制、監(jiān)視和發(fā)射/接收服務提供主機處理器接入，PE則處理FlexRay流量和協(xié)議功能。

他表示，CHI一般都經(jīng)過定制，從而實現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化，而PE則保持一致，以確保遵循FlexRay規(guī)范。IPextreme公司的FRCC2100知識產(chǎn)權(IP)包括PE和一個支持使用各個接收和傳輸緩沖器的預驗證CHI接口，帶單緩沖和雙緩沖傳輸、狀態(tài)或事件傳輸模式、接收FIFO功能、消息緩沖器過濾、幀監(jiān)視和雙通道模式。

“FRCC2100已經(jīng)徹底進行過分區(qū)，以便客戶能夠將其自己的CHI增加到經(jīng)過驗證的PE，”Savage表示，他還補充道，F(xiàn)lexRay eVC套件可以驗證定制CHI和整個FlexRay系統(tǒng)。

去年秋季，Dependable Computer Systems GmbH公司(DECOMSYS)從IPextreme公司獲得了使用FRCC2100 IP的授權，該IP已經(jīng)在飛思卡爾公司的MC9S12XFR128、MFR4300和MPC55xx電源架構控制器、BMW公司的AdaptDrive以及NXP公司的SJA2510 ARM9控制器中得以實現(xiàn)。DECOMSYS計劃在其硬件和DECOMSYS:: BUSDOCTOR 2(圖3)這樣的監(jiān)控解決方案中使用該IP，從而代替該公司一直使用的MFR4200。

其他半導體公司正在進入FlexRay市場。富士通微電子美國公司正在營銷基于Robert Bosch GmbH公司授權的E-Ray內(nèi)核的特定應用標準產(chǎn)品(ASSP) MB88121。MB88121支持雙通道工作，附帶超過8KB的消息緩沖內(nèi)存以支持多達128個不同的標識符。

Fujitsu公司于三月份推出用于駕駛員輔助應用的FlexRay控制器。MB91F465XA基于一個電壓范圍為3.0V～5.5V的32位100 MHz Fujitsu FR 70 CPU，該控制器采用經(jīng)過TUV Nord認證的Bosch E-Ray內(nèi)核和VHDL代碼。它通過提供超過8KB的消息緩沖內(nèi)存，可以支持雙通道和FIFO操作以及218個不同的標識符。

除了其雙通道FlexRay總線接口之外，F(xiàn)ujitsu MCU還包含一個I2C、兩個CAN和三個LIN-USART接口。其它特性包括帶讀出保護功能的544KB閃存、32KB RAM、一個硬件看門狗、一個17通道的10位模數(shù)轉換器、重裝定時器、秒表功能以及一個能夠在外部4MHz或32kHz石英晶振上工作的RTC模塊(圖4)。

英飛凌正在開發(fā)由一個能夠與16位和32位微控制器集成的獨立FlexRay協(xié)議控制器、一個收發(fā)器、軟件和外圍器件組成的總線系統(tǒng)。英飛凌計劃采用austriamicrosystems AG公司開發(fā)的FlexRay IP。瑞薩科技美國公司汽車業(yè)務部市場營銷總監(jiān)Paul Fox表示，他們公司目前正在開發(fā)將支持FlexRay的32位CISC和RISC微控制器。

與此同時，英飛凌和瑞薩等公司則提供各種用于CAN和LIN網(wǎng)絡的產(chǎn)品。瑞薩提供的產(chǎn)品包括能夠減少同步所需的中斷次數(shù)的LIN硬件控制電路，并提供總線沖突檢測和喚醒功能。LIN控制器能夠采用內(nèi)部振蕩器以5%的精度工作，也可以通過軟件將精度調(diào)整至1%。內(nèi)部振蕩器不再需要外部時鐘，從而釋放了兩個I/O引腳。

TI的TPIC1021獨立LIN 2.0收發(fā)器通過提供高達17kV的IEC和12kV的人體模型(HBM)靜電放電(ESD)保護功能，從而不再需要外部保護元器件。符合汽車規(guī)格(AEC-Q100)的CAN收發(fā)器SN65HVD1050Q具備高達±8kV的HBM ESD，足以消除外部保護元器件的需要。

除了片上步進電機驅動電路、LCD控制器/驅動器、并行LCD總線和語音發(fā)生器之外，NEC電子美國公司的V850E/Dx3系列32位汽車級微控制器還配備了兩個CAN接口。

開發(fā)工具供應商正在對他們的產(chǎn)品進行升級，以利用FlexRay的出現(xiàn)。Elektrobit公司最近已經(jīng)將FlexRay作為集成元器件增加到其tresos汽車標準內(nèi)核中，該內(nèi)核已經(jīng)包含了CAN和LIN。該公司表示，公司將可能在tresos電子控制單元(ECU)工具內(nèi)部采用基本配置的FlexRay堆棧。Tresos內(nèi)部的操作系統(tǒng)(OS)、運行時環(huán)境(RTE)和FlexRay模塊配置是一致的，開發(fā)時間同步應用的工程師將能夠采用簡單的XML表示法來描述模塊間的相關性。包含tresos和DECOMSYS公司的FlexRay DESIGNER ASR的經(jīng)過調(diào)諧的工具鏈將允許工程師導入和擴展AUTOSAR配置。

DECOMSYS與Agilent聯(lián)手開發(fā)了用于FlexRay觸發(fā)和協(xié)議解碼測量的示波器。該示波器結合了一個帶DECOMSYS::BUSDOCTOR 2協(xié)議分析儀的Agilent 6000系列混合信號示波器(MSO)，從而提供全面FlexRay定時方案的時間相關插槽/片段邊界顯示，包括基本周期和周期重復時合格的具體FlexRay通信的觸發(fā)器能力。通過導入將全面FlexRay方案定義到Agilent MSO的FIBEX文件，設計工程師可以看到片斷和插槽定時邊界的同步時間相關顯示。

TTAutomotive已經(jīng)發(fā)布了用于開發(fā)和優(yōu)化基于FlexRay的電子控制單元、設計節(jié)點以及根據(jù)針對FlexRay堆棧的AUTOSAR規(guī)范配置汽車系統(tǒng)的軟件TTXBuild。該工具據(jù)稱能夠以單個步驟自動配置整個軟件堆棧。對于過程集成，它通過腳本語言提供批處理模式執(zhí)行和節(jié)點配置。它通過FIBEX通信數(shù)據(jù)庫檢查一致性，并通過自動計算最佳AUTOSAR分配參數(shù)來確保有效的AUTOSAR配置。

據(jù)TTAutomotive公司表示，其AUTOSAR FlexRay堆棧和配置工具已被選定用于一個先進的商業(yè)產(chǎn)品程序。FlexRay驅動器是AUTOSAR FlexRay堆棧的一個核心元件，并且是微控制器抽象層的一部分。搭配通信ECU抽象層內(nèi)部的FlexRay使用時，F(xiàn)lexRay驅動器可以提供獨立于硬件的API，以訪問FlexRay控制器。TTAutomotive公司還提供用于服務層的元器件，包括一個COM層、一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)路由器和一個傳輸協(xié)議部件。網(wǎng)絡管理部件增加了至集群的喚醒和睡眠功能。這些部件都針對同步操作進行了優(yōu)化，并具備小占位面積、低延遲和確定性響應時間。

Vector Informatik公司于今年四月推出了用于測試FlexRay總線的硬件模塊FRstress(圖5)。該工具據(jù)稱能夠生成協(xié)議錯誤及控制總線物理層特性，從而以指定方式干擾FlexRay總線。

“FlexRay不是一個簡單的協(xié)議，”飛思卡爾半導體16/32位汽車MCU產(chǎn)品經(jīng)理Jim Shockey表示，“從事件驅動型通信向時間驅動型通信的遷移是一個革命性的改變，需要一些時間?！?/FONT>

但是FlexRay是正在生產(chǎn)和部署的比如今的CAN和LIN更快的總線，這是必然的。