基于FPGA的可重配置系统在新兴汽车标准中的应用

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        多种新兴汽车总线系统可在汽车各个节点间提供数据和控制信号,应用涉及从门锁到极其复杂的多媒体终端等方方面面。

       对每个总线的需求各不相同,在低端应用需要低成本相对低速率的总线,在高端应用需要为视觉媒体提供高速率实时传输。由于难以确定究竟哪种标准会最终胜出,许多汽车OEM都支持多个标准。对设计师而言,这些不确定性会延长开发周期并可能最终导致失去商机。

        本文介绍的基于FPGA的可重配置系统可以在设计后期甚至量产阶段通过重新编程以适应标准和协议的改变。总线接口可以以配置IP内核的形式提前进行验证,这样可以节省时间和精力,因而可以缩短产品的面市时间。

 

 图1:车载网络系统及其速率

        车载信息娱乐系统和移动信息设备,特别是车载导航系统,需要功能很强的操作系统及互连性。目前,有数个组织和联盟引领着汽车总线的标准化方向,这包括MOST协作联盟、IDB论坛和蓝牙SIG等等(图1)。

        面向多媒体的系统传输(MOST)

        由MOST协作联盟主推的MOST网络,被用于连接汽车中的多个设备,这些设备包括汽车导航系统、数字无线电、显示器、蜂窝电话及DVD。MOST技术已被优化为可以使用塑料光纤,支持的数据传送率高达24.8Mbps,在设备层具有很高的可靠性和可扩充性,同时还可完全支持实时音频和压缩视频。MOST总线已经被宝马、戴姆勒-克莱斯勒、Harman Becker、

        OASIS Silicon Systems等公司认可。近期关于MOST项目的一个值得注意的例子是Harman

        Becker汽车系统公司将其应用于最新型的BMW 7系列中。

        智能传输系统数据总线(IDB)

        IDB论坛为那些从事开发售后市场和便携式设备的OEM公司推出IDB-C和IDB-1394以及标准的IDB接口。基于CAN总线的IDB-C可应用于数据率为250Kbps的设备中。IDB-C 的应用包括了在数字电话、PDA及音频系统等这些数字消费设备间建立互连。

        IDB-1394(基于IEEE-1394 Firewire)被设计用于高速多媒体应用,这些应用中需要快速传输大量信息。IDB-1394是一个采用光纤技术的传输速率为400M波特率的网络。应用场合包括DVD和CD换片机、显示器、音频和视频系统。IDB-1394还允许1394便携式消费类电子设备与一个车载网络互联并协同工作。Zayante是一个当前为消费市场提供1394物理层设备的供应商,该公司利用福特汽车公司进行IEEE1394的演示。演示包括把一个数字视频摄像机、带有两个显示器的Sony Playstation II游戏机和一台DVD播放器进行即插即用的互连。

        数字数据总线(D2B)通讯网络

        数字数据总线(D2B)是一个网络协议,该协议用于整合数字音频、视频及其它高数据率同步、异步信号的多媒体数据通讯,其数据传输率最高可达11.2Mbps。数据总线既可以沿非屏蔽双绞线-叫“灵巧线”建立,也可以通过单根光纤建立。这种通讯网络由英国的C&C公司推广,并已被美洲虎、梅赛德斯-奔驰等公司所采用。例如,集成多媒体通信系统已被用于美洲虎X型、S型及新的XJ轿车型。

        D2B光纤在启动时自动配置,无论当时有何种设备在线都可适应。这意味着新设备在生命期内可轻易连进网络。采用D2B光纤多媒体系统的汽车制造商可以发现该标准涉及的技术都是他们曾了解的。标准具有向后兼容性可确保新产品在整个生命期内都可加入到汽车系统中去。D2B光纤基于一个开放架构,在光纤环中加一个新设备或新功能时仅做简单扩展而无需改变电缆配线。总线仅使用一根缆线,一根聚合物光纤或一根铜缆线都可以用以处理车内多媒体数据或控制信息。这可以提供更好的可靠性,并可以减少外部元件及连接器数量,还显著减轻了整个系统的重量。

 
图2:一个通用的车内多媒体设计框图
 

        蓝牙

        蓝牙无线技术是一种低成本、低功耗、短距离无线技术,适用于移动设备及WAN/LAN接入点。它是一个计算和无线通讯工业规范,描述了如何轻易地将移动电话、PDA和计算机进行互连,并且使用短程无线连接将家庭与商业电话、计算机进行互连。
 
        举个例子,驾驶员能够使用蓝牙无线耳机与自己口袋中的蜂窝电话进行通讯。结果是驾驶员的注意力被分散而降低了安全性。汽车业界已成立了一个特殊兴趣小组(SIG)以制定汽车的蓝牙草案。这个SIG的成员包括了AMIC、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、福特、通用、丰田、VW等。

        先进的安全系统FlexRay

        FlexRay是专门瞄准下一代汽车应用或“线控”应用的新网络通信系统,线控应用需要高速总线系统,这些高速总线系统必须是确定性、容错并可以支持分布控制系统。宝马、戴姆勒-克莱斯勒、飞利浦半导体、摩托罗拉(半导体业务现称为Freescale)以及最新成员博世一起开发并确立了FlexRay并把它作为下一代应用标准。

        FlexRay通信系统更像是一个通信协议,它包含一个特别设计的高速收发信机,并定义了FlexRay“节点”的不同组件间的软、硬件。FlexRay协议定义了在联网的汽车系统里通信进程的功能和格式。该技术被设计用于满足关键的汽车需求,诸如可靠性、实用性、灵活性以及高数据率以弥补车内通信标准如CAN、LIN 和MOST的不足。

        由于汽车电子控制部件(ECU)通信数据量不断增加,因此获得高数据率至关重要。FlexRay最初目标是数据率达到10Mbps,不过,现在该协议也可以达到更高的数据率。

        定时触发协议(TTP)

        定时触发协议主要用于那些可靠的和可容错的实时分布式系统,它确保没有单个的失效点。TTP是成熟的网络解决方案。它成本低,并可以应对关键的安全应用。TTP因其严谨性以及显而易见的安全性而被多家航空公司采用。TTAGroup是TTP的主管组织,目前成员包括奥迪、PSA、Renault、NEC、TTChip、德尔福和Visteon。

        定时触发CAN(TTCAN)

        常见的CAN网络中的通信是事件触发型的,当同时发送多个需求信息时会出现高峰负荷(peak load),CAN的非破坏性无仲裁机制可以保证根据按标示的优先级传输信息。对实时系统,必须对整个系统做流程分析以确保满足所有传输甚至高峰负荷的最终期限,为了解决这个问题,TTCAN应运而生。

        TTCAN是CAN协议的扩展,它在现有的数据链路层和物理层的顶端有个会话层,该协议执行一种混合的、时间触发TDMA流程,它还适用于事件出发通信。TTCAN有望用于引擎管理系统、传动和通过线控应用的底盘控制。

        FPGA助设计师走出设计困境

        可重配置平台允许设计师在设计流程后期甚至量产中改变系统总线或接口。可重配置系统概念使对不同标准进行尝试、测试、使用成为可能,并且如果发现他们和已经安装在车里的另一个总线接口不匹配,你可以一直尝试直到找到最好的配置为止。

        可编程器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)可以让设计师控制从原型到量产前以及量产中的所有阶段。基于ASIC或ASSP器件没有这种灵活性和可控制性。PLD可以减缓库存问题,因为这种通用器件可以用在多个项目上,而ASIC只能用在特定应用上。在使用了可编程器件的部件投入使用以后,甚至可以通过无线通信链路进行重配置以使系统升级或增加额外功能。

       通过使用IP内核模块,可重配置硬件平台可以缩短面市时间,例如,Memec Design的CAN内核包含完整的数据链路层,其中包括成帧器、收发控制、纠错内核设计和柔性接口以获取每个内部系统的状态和帧参考。位速率和子位节段能重新配置以满足所连CAN总线的特殊时序要求,错误计数器和错误中断事件会报告错误。该内核被设计可提供的总线速率达1Mbps,其最低内核时钟频率是8MHz。CAN内核可以在信息滤波器、信息优先机制和各种系统功能诸如传感器/激励器控制之间提供一个接口。另外,它也可以嵌入到系统应用中作为于微控制器和各种外设功能的接口。

        不用使用分立器件,仅把IP内核用于更复杂设计的一部分就可以给CAN或LIN总线提供接口。减少元件数量可以带来诸如降低整个系统的成本、降低库存、提高系统可靠性和减少PCB复杂性和层数等多方面的好处。如图2显示显示了一个通用的车内多媒体设计框图,该设计使用了CAN内核、PCMCIA接口、PCL桥接、IDE接口和其他功能,在设计阶段这些功能可以修改、变化,也可以根据终端用户的要求进行修改,通过对系统中的FPGA进行重配置,这个模式还可以扩展到现场修改或升级系统。

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