利用FPGA實(shí)現(xiàn)低成本汽車(chē)多總線橋接

汽車(chē)中的電子單元持續(xù)快速增長(zhǎng)，因此對(duì)比一下汽車(chē)電子發(fā)展和消費(fèi)類(lèi)電子便攜式產(chǎn)品的發(fā)展會(huì)有很大啟發(fā)。今天的消費(fèi)者希望在汽車(chē)中獲得手持便攜式電子設(shè)備所提供的方便與舒適性。汽車(chē)電子將不再專(zhuān)門(mén)用于引擎管理系統(tǒng)或車(chē)身控制，而是擴(kuò)展應(yīng)用到新的領(lǐng)域，如信息娛樂(lè)、通信以及司機(jī)/乘客輔助系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)嚴(yán)峻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是必須保證汽車(chē)壽命與車(chē)內(nèi)電子設(shè)備的壽命相匹配，這樣才能避免由于技術(shù)過(guò)時(shí)和設(shè)備淘汰而增加額外的成本。從8軌唱片播放機(jī)到音頻磁帶播放機(jī)，再到CD播放機(jī)和MP3播放機(jī)，如此快速的發(fā)展提醒汽車(chē)設(shè)計(jì)師車(chē)內(nèi)電子設(shè)備的生命周期相對(duì)短得多。不斷出現(xiàn)的新興汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)本身的不斷變化進(jìn)一步導(dǎo)致選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須考慮到其壽命、靈活性以及被接受的廣泛程度。目前使用的一些標(biāo)準(zhǔn)包括本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)以及藍(lán)牙等。

汽車(chē)電子部件設(shè)

計(jì)人員面臨的其它挑戰(zhàn)還包括滿足低成本目標(biāo)、擴(kuò)展溫度范圍以及小型化要求?？删幊踢壿嬈骷?PLD)在過(guò)去10多年時(shí)間里獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，提供了更高的性能、更低的功耗、工作溫度范圍更寬、外形更小且成本更低，因此PLD對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)人員越來(lái)越具吸引力。

根據(jù)業(yè)界市場(chǎng)研究公司Gartner Dataquest(2003年11月)的報(bào)告，全球汽車(chē)電子應(yīng)用市場(chǎng)2003年約為7320萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2004年會(huì)達(dá)到7790萬(wàn)美元，2005年將達(dá)到8530萬(wàn)美元。主要的汽車(chē)電子系統(tǒng)包括GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、引擎控制單元和數(shù)字立體聲音頻系統(tǒng)。

可編程邏輯器件的優(yōu)點(diǎn)

由于PLD可重編程的靈活特點(diǎn)，因此特別適合各種變化。通過(guò)對(duì)PLD進(jìn)行重新編程，可以快速實(shí)現(xiàn)新版標(biāo)準(zhǔn)，甚至在現(xiàn)場(chǎng)部署后仍可進(jìn)行。重新編程工作在現(xiàn)有系統(tǒng)中即可完成，不必對(duì)PLD進(jìn)行物理拆卸。這一過(guò)程被稱為在系統(tǒng)可編程能力(ISP)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)編程協(xié)議(如IEEE1149.1 JTAG)就可以完成。設(shè)計(jì)人員可以象調(diào)整引擎那樣對(duì)車(chē)內(nèi)電子進(jìn)行升級(jí)。實(shí)際上，未來(lái)汽車(chē)電子升級(jí)可能會(huì)變得象定期的程序維護(hù)一樣平常。

當(dāng)然，汽車(chē)型號(hào)眾多，從經(jīng)濟(jì)型到標(biāo)準(zhǔn)型，還有豪華型。因此，根據(jù)汽車(chē)的類(lèi)型，車(chē)內(nèi)電子設(shè)備也有不同。而且，認(rèn)識(shí)到PLD的可重編程能力和靈活性優(yōu)點(diǎn)，汽車(chē)設(shè)計(jì)師可以在同樣的平臺(tái)上提供從標(biāo)準(zhǔn)到豪華的不同特性組合。這也可以解釋為什么通常不考慮使用專(zhuān)用集成電路(ASIC)，盡管ASIC在大批量時(shí)具有成本更低的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，高昂的NRE成本以及ASIC橋接的不靈活性使得ASIC被從可行的解決方案中排除出去。

橋接功能

微處理器或微控制器是汽車(chē)電子系統(tǒng)的核心。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)PLD器件是實(shí)現(xiàn)不同汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)與微處理器或微控制器接口橋接的極好選擇。下面兩個(gè)例子能夠以低成本靈活地實(shí)現(xiàn)兩種流行的汽車(chē)總線協(xié)議(LIN和MOST)與微處理器或微控制器接口之間的功能橋接。這些應(yīng)用成功的關(guān)鍵是FPGA的靈活架構(gòu)和可重編程能力使得可容易地實(shí)現(xiàn)與多種微處理器或微控制器的接口，從而為設(shè)計(jì)人員提供最大的靈活性。要實(shí)現(xiàn)新的要求，或者對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，不需要更改元器件，只需要簡(jiǎn)單地對(duì)FPGA進(jìn)行重新編程就可以了。

現(xiàn)在已經(jīng)有針對(duì)汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)(如LIN和CAN)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核。LIN是一種低成本單線(12V總線)串行通信協(xié)議，基于通用串行通信接口(UART)數(shù)據(jù)格式和旨在滿足汽車(chē)中分布式電子系統(tǒng)應(yīng)用要求的單主控設(shè)備/多從屬設(shè)備概念。這一低成本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)旨在連接通信要求相對(duì)較低的分布式結(jié)點(diǎn)，而不是要代替CAN等高性能網(wǎng)絡(luò)。LIN主要針對(duì)使用智能傳感器、調(diào)節(jié)器或照明設(shè)備的汽車(chē)應(yīng)用。這些單元可容易地連接到汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)供所有其它類(lèi)型的診斷和服務(wù)訪問(wèn)使用。 LIN總線的一個(gè)特點(diǎn)是其同步機(jī)制，允許從屬結(jié)點(diǎn)(slave node)不需要額外的石英或陶瓷振蕩器就可以恢復(fù)時(shí)鐘。線路驅(qū)動(dòng)器和接收器的技術(shù)規(guī)格符合ISO 9141單線標(biāo)準(zhǔn)，并且進(jìn)行了額外的增強(qiáng)。最大的傳輸速率為20 kbit/s，這一限制源于EMI考慮以及時(shí)鐘同步機(jī)制。

一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主控結(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)從屬結(jié)點(diǎn)。所有結(jié)點(diǎn)都執(zhí)行包括發(fā)送和接收任務(wù)在內(nèi)的從屬通信任務(wù)，而主結(jié)點(diǎn)則還包括主控發(fā)送任務(wù)?；顒?dòng)LIN網(wǎng)絡(luò)中的通信總是由主控任務(wù)發(fā)起——主控任務(wù)發(fā)送一個(gè)包括同步中斷、同步字節(jié)和消息標(biāo)識(shí)符組成的消息頭。

同一時(shí)間始終只有一個(gè)從屬任務(wù)接收并過(guò)濾標(biāo)識(shí)符，該從屬任務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)送消息響應(yīng)。響應(yīng)包括兩個(gè)、四個(gè)或八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。消息頭及響應(yīng)部分構(gòu)成一個(gè)消息幀。

時(shí)鐘同步、UART通信的簡(jiǎn)單性以及使用單線介質(zhì)是LIN高成本效率的主要原因。實(shí)現(xiàn)低成本、低速度的LIN需要的FPGA資源不多——大約只需要500個(gè)LUT和42個(gè)I/O。因此，低成本FPGA器

件非常適于實(shí)現(xiàn)LIN標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還提供了與微處理器或微控制器接口的靈活性。

MOST技術(shù)提供了一種連接簡(jiǎn)單多媒體設(shè)備的低資源消耗、低成本網(wǎng)絡(luò)接口。MOST既可支持低智能設(shè)備，也可支持需要高級(jí)控制和多媒體功能的基于DSP的復(fù)雜設(shè)備。其設(shè)計(jì)原理使總體汽車(chē)通信系統(tǒng)的靈活性達(dá)到最大。在同層次上來(lái)看，MOST是一種基于同步數(shù)據(jù)通信的通用高性能低成本的多媒體光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對(duì)于汽車(chē)中的模擬音頻網(wǎng)關(guān)、模擬視頻接口、數(shù)字視頻顯示接口、導(dǎo)航和通信等多媒體應(yīng)用，MOST非常理想。MOST標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)不同的層，如物理層(PHY)、數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層、傳輸層、會(huì)話層以及其它層，可以支持從數(shù)Kbps至24.8 Mbps的廣泛應(yīng)用。

MOST是一種同步網(wǎng)絡(luò)。時(shí)鐘由一個(gè)定時(shí)主控器提供，所有其它設(shè)備操作都同步到這一時(shí)鐘。這一技術(shù)避免了采用緩沖和采樣速率轉(zhuǎn)換，因此可以連接非常簡(jiǎn)單和便宜的設(shè)備。其實(shí)質(zhì)類(lèi)似于交換式電話網(wǎng)絡(luò)。MOST技術(shù)定義了數(shù)據(jù)通道和控制通道?？刂仆ǖ烙脕?lái)確定發(fā)送方和接收方使用的是哪個(gè)數(shù)據(jù)通道。連接一旦建立，數(shù)據(jù)可連續(xù)傳輸，不需要處理額外的數(shù)據(jù)包信息。對(duì)于流式數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)，這是一種最優(yōu)的機(jī)制。

MOST網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：易用、實(shí)現(xiàn)成本低、適用范圍廣、可提供同步和異步帶寬、靈活性大并且符合消費(fèi)和個(gè)人計(jì)算機(jī)行業(yè)的要求。

降低成本

利用FPGA內(nèi)在的靈活性和可重編程能力，可以在單個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)與微處理器或微控制器接口的橋接，從而大大簡(jiǎn)化了橋接工作，并使汽車(chē)生產(chǎn)商能夠利用同一FPGA器件滿足不同級(jí)別汽車(chē)(從經(jīng)濟(jì)型到豪華型)對(duì)電子單元的不同要求。這樣即簡(jiǎn)化了庫(kù)存管理又可提供批量?jī)r(jià)格優(yōu)惠，從而進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和物流方面的成本。

FPGA所帶來(lái)的成本節(jié)約優(yōu)勢(shì)還一直延續(xù)到汽車(chē)的整個(gè)生命周期過(guò)程中。通過(guò)重新編程或重新配置，F(xiàn)PGA不需要支付額外的工程成本(采用ASIC時(shí)這是不可避免的)即可滿足升級(jí)要求。進(jìn)一步，一些FPGA制造商還提供封裝兼容情況下的密度升級(jí)能力，即在原來(lái)的PCB設(shè)計(jì)不變的情況下提供更多的邏輯容量，從而在系統(tǒng)要求劇烈變化時(shí)延長(zhǎng)電子平臺(tái)的壽命。

這些能力和優(yōu)點(diǎn)不僅使FPGA器件對(duì)于設(shè)計(jì)人員更具吸引力，同時(shí)還允許他們更為自由地選擇微處理器或微控制器。在設(shè)計(jì)中使用FPGA，設(shè)計(jì)人員就可根據(jù)需要選擇成本優(yōu)化的微處理器或微控制器，或者選擇功能更豐富的產(chǎn)品。這一靈活性可直接降低汽車(chē)電子組件的總體解決方案成本。

LatticeECP和LatticeEC FPGA器件還提供了一項(xiàng)獨(dú)特的成本節(jié)約特性，支持標(biāo)準(zhǔn)SPI存儲(chǔ)器配置。傳統(tǒng)上，基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供應(yīng)商提供的價(jià)格較高的專(zhuān)用非易失性boot PROM。這些PROM在整個(gè)FPGA解決方案成本中占了35%以上。與此對(duì)比，低成本業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI存儲(chǔ)器對(duì)于大批量應(yīng)用非常理想。SPI存儲(chǔ)器配置時(shí)間快、成本低并且占用的PCB空間更小。