FlexRay為實(shí)現(xiàn)更高級的駕駛體驗(yàn)鋪平了道路

在汽車電子或汽車總線領(lǐng)域，前端時(shí)間大家討論最多的是LINK_KEYWORD0在寶馬最新X5豪華SUV中的應(yīng)用。FlexRay控制X5的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，能夠?qū)﹄S時(shí)變化的道路狀況進(jìn)行快速的反應(yīng)并作出補(bǔ)償。

在X5的底盤和懸掛控制系統(tǒng)中采用FlexRay似乎是個(gè)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(shí)有助于獲取實(shí)際應(yīng)用中有關(guān)系統(tǒng)運(yùn)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(fā)速度。

一些具備 FlexRay功能的新型汽車將會(huì)在2008，2009和2010年面市，屆時(shí)該總線的作用將會(huì)越來越突出。就像X5的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)一樣，F(xiàn)lexRay總線的部署將會(huì)從某幾個(gè)控制系統(tǒng)開始來取代CAN(控制器區(qū)域總線)總線。其他的FlexRay部署將能夠?qū)崿F(xiàn)一些CAN無法支持的新應(yīng)用。在此期間，F(xiàn)lexRay總線將會(huì)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(lián)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)似乎也不會(huì)退出市場。

不過隨著汽車變得愈加復(fù)雜以及更多系統(tǒng)的加入，往CAN和LIN總線無法提供的更復(fù)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，F(xiàn)lexRay很快就會(huì)顯示其重要性。最終，它將會(huì)成為所有安全和駕駛性能的主要通信通道。這一技術(shù)革新的優(yōu)點(diǎn)包括了降低制造成本和提高可靠性。

如果用更技術(shù)性的語言來表達(dá)，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(xié)議能夠確保對關(guān)鍵任務(wù)的超快速響應(yīng)。

作為能夠支持汽車線控(線控駕駛，線控剎車等)的技術(shù)，F(xiàn)lexRay顯然能夠?qū)⑵囆阅芴岣叩角八从械乃健＿€有其他一些趨勢也推動(dòng)著它的普及，包括制造效率，安全法規(guī)以及消費(fèi)者對便利性需求的增加等。

出于這些原因，在FlexRay中設(shè)計(jì)了10-Mbit/s帶寬、內(nèi)置的容錯(cuò)功能、還有確定性的協(xié)議。汽車技術(shù)中的每一個(gè)進(jìn)展都是逐步演進(jìn)的。因此FlexRay也能夠適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-線性節(jié)點(diǎn)、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(xiàn)的新技術(shù)挑戰(zhàn)。

演進(jìn)而非革命

汽車電子在定義駕駛體驗(yàn)中正起著越來越大的作用。從管理開始，緊隨其后的是汽車音響。如今，包括傳動(dòng)系、車身、底盤、輔助駕駛系統(tǒng)以及主動(dòng)和被動(dòng)安全系統(tǒng)在內(nèi)的所有主要系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了電子控制。

早在90年代初，人們就已經(jīng)清楚地認(rèn)識到，將這些系統(tǒng)組網(wǎng)到一起實(shí)現(xiàn)相互交互具有許多優(yōu)點(diǎn)。CAN正是在那時(shí)推出的。

以前，每一個(gè)電子控制單元(ECU)都是一個(gè)獨(dú)立自治的功能單位。隨著ECU數(shù)量的不斷增加，以及電子控制系統(tǒng)所能提供的技術(shù)能力的增強(qiáng)，發(fā)展趨勢開始從組網(wǎng)到一起的ECU轉(zhuǎn)向功能分散到多個(gè)ECU上實(shí)現(xiàn)的分布式系統(tǒng)。

但隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，人們又認(rèn)識到車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)不僅要提供更快速的數(shù)據(jù)傳送，而且還必須提供確定性的和具備容錯(cuò)功能的通信鏈路。于是，唯一的發(fā)展之路就是先進(jìn)的分布式控制系統(tǒng)。

FlexRay的研發(fā)始于2000年由下述四家公司創(chuàng)立的一個(gè)行業(yè)聯(lián)盟，這四家公司分別是寶馬、戴姆勒克萊斯勒、恩智浦(當(dāng)時(shí)的飛利浦半導(dǎo)體 )和摩托羅拉SPS(即現(xiàn)在的飛思卡爾半導(dǎo)體公司)。在過去六年里，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟又增加了120多家公司。

從芯片開始應(yīng)用FlexRay

在汽車中用芯片實(shí)現(xiàn)最新的FlexRay 2.1協(xié)議要求具有頻率高達(dá)80MHz的32位微控制器的處理能力，這相當(dāng)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，F(xiàn)lexRay還要在未來與其他的汽車總線共存一段時(shí)間，于是當(dāng)芯片用于網(wǎng)關(guān)設(shè)備時(shí)，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(gè)或6個(gè)CAN 2 控制器，以及多個(gè)LIN 2 主控制器。

FlexRay決非一個(gè)簡單的協(xié)議。要成功實(shí)現(xiàn)這樣的芯片設(shè)計(jì)，必須對其所控制的系統(tǒng)、這些系統(tǒng)所用的設(shè)備和環(huán)境都有深入的理解。而單從芯片設(shè)計(jì)的角度來看，也具有很高的復(fù)雜度。

在設(shè)計(jì)FlexRay控制器時(shí)，可用的架構(gòu)方案有可能不止一個(gè)，而且在實(shí)現(xiàn)每項(xiàng)功能時(shí)也有許多選擇。架構(gòu)和設(shè)計(jì)的變化組合可能有許多種-但能夠?qū)崿F(xiàn)最好性能并具有最低成本的只有一種。

芯片性能的關(guān)鍵是控制器-主機(jī)接口。精密集成為芯片設(shè)計(jì)師提供了全新設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，而無需再利用FlexRay獨(dú)立控制器芯片上提供的接口。

通過設(shè)計(jì)能充分利用MCU固有優(yōu)點(diǎn)的客戶定制接口，例如ARM 9的多層系統(tǒng)總線，能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能和靈活度。這種架構(gòu)還能確保較大范圍的可升級性。協(xié)議引擎是通信功能中另外一個(gè)關(guān)鍵因素。FlexRay不是一個(gè)簡單協(xié)議：它將根據(jù)環(huán)境的要求隨時(shí)改變。協(xié)議引擎必須高效靈活并忠實(shí)于標(biāo)準(zhǔn)。只有對協(xié)議本身以及對許多使用場合如何反應(yīng)具備非常深入的理解，才能實(shí)現(xiàn)這些特性。

FlexRay聯(lián)盟中120多家公司這個(gè)數(shù)量還相對較少。要想開發(fā)出好的FlexRay器件并使整個(gè)系統(tǒng)正常工作，還有必要充分理解整個(gè)協(xié)議以及它與系統(tǒng)中其他部件之間的相互作用。

為了確保符合FlexRay標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議引擎最好是基于能夠完全表征FlexRay標(biāo)準(zhǔn)的模型之上，即眾所周知的‘參考模型’。

飛思卡爾半導(dǎo)體公司和恩智浦半導(dǎo)體公司這兩個(gè)FlexRay聯(lián)盟的創(chuàng)始成員積累了各自的經(jīng)驗(yàn)，并創(chuàng)建了大多數(shù)觀察人士相信能夠提供最佳性能的協(xié)議引擎。該引擎采用了一個(gè)頗具特色的控制器-主機(jī)-接口概念，從而使其更具獨(dú)特的特性。

質(zhì)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(dǎo)體廠商正在加入FlexRay的研發(fā)潮流中。

為了確保安全性、魯棒性和互操作性，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟求助備受尊敬的一致性測試組織-T?V Rheinland Group來執(zhí)行一致性測試。

在初期的FlexRay控制器中，恩智浦半導(dǎo)體公司的SJA2510具有幾個(gè)鮮明的特點(diǎn)?；贏RM7或ARM9內(nèi)核的SJA2510采用上面所述的以MCU為中心的架構(gòu)，因此它能為設(shè)計(jì)師和終端用戶提供上述所有優(yōu)點(diǎn)。

特別是它還提供了周期復(fù)用，這是汽車工程師們特別期望的一個(gè)功能。周期復(fù)用能夠使工程師們更有效率地利用帶寬，因?yàn)槊總€(gè)周期內(nèi)的每個(gè)時(shí)隙能夠被多個(gè)數(shù)據(jù)流復(fù)用，而不是保留一個(gè)很少使用的獨(dú)立時(shí)隙。該技術(shù)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率，特別是當(dāng)刷新數(shù)據(jù)之間的時(shí)隙超過周期時(shí)間的時(shí)候。

FleaRay收發(fā)器

如圖2所示，收發(fā)器也是實(shí)現(xiàn)FlexRay的一個(gè)關(guān)鍵器件。該器件工作在物理層，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收通過FlexRay總線傳送的從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片的實(shí)際電信號。

對于以前的汽車網(wǎng)絡(luò)，例如CAN，其收發(fā)器的設(shè)計(jì)相對簡單。不過FlexRay的收發(fā)器卻并非如此。該收發(fā)器對總線上所傳送的信號時(shí)序和波形的容差性能非常苛刻。

正如前面所指出的那樣，F(xiàn)lexRay標(biāo)準(zhǔn)定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)：無源節(jié)點(diǎn)、無源星形和有源星形。由于每種拓?fù)浼軜?gòu)對收發(fā)器的要求不同，因此收發(fā)器必須具備處理無源架構(gòu)和有源架構(gòu)的雙重能力。

之所以說這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)原因。很少關(guān)注的一個(gè)事實(shí)是，設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)在初期設(shè)計(jì)中可能采用無源架構(gòu)，然后隨著經(jīng)驗(yàn)知識和系統(tǒng)要求的增加逐步過渡到有源拓?fù)浼軜?gòu)。收發(fā)器能夠處理兩種拓?fù)浼軜?gòu)的能力意味著，隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜度的增加設(shè)計(jì)師無需切換成另一個(gè)新器件。

目前只有恩智浦半導(dǎo)體公司才具有這類通用的FlexRay收發(fā)器。其TJA1080是全球首款全功能的FlexRay收發(fā)器。它還能提供許多標(biāo)準(zhǔn)之外的功能以及FlexRay v2.1標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的可選功能。它不僅能夠充分地支持節(jié)點(diǎn)配置和星形配置，還具有出色的ESD防護(hù)性能和功率管理性能。BWM X5中用的就是TJA1080，其中既有節(jié)點(diǎn)配置，也有星形配置。

深遠(yuǎn)影響

FlexRay正在改變合作規(guī)則。隨著汽車電子成為汽車功能和性能背后更主要的驅(qū)動(dòng)力，汽車制造商已經(jīng)向合作模式邁進(jìn)了許多。在該模式中，他們更多地依賴半導(dǎo)體廠商設(shè)計(jì)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(nèi)部，相對于系統(tǒng)級經(jīng)驗(yàn)來說，純芯片設(shè)計(jì)的能力顯得越來越不重要了。FlexRay的復(fù)雜性使得芯片制造商不可能通過在現(xiàn)有芯片中簡單地集成IP模塊來提高競爭能力。

實(shí)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(shí)現(xiàn)，即在標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)中進(jìn)行了長期投入，有實(shí)地嚴(yán)酷模擬的雄偉計(jì)劃，以及具備上一代汽車電子技術(shù)的成功研發(fā)歷史。

把能夠滿足上述條件的半導(dǎo)體廠商作為合作伙伴，才能確保汽車制造商能夠生產(chǎn)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(yàn)。