全面剖析FlexRay汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的解決方案

首個投入生產(chǎn)的FlexRay應(yīng)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(dǎo)體的32位FlexRay微控制器，它可以監(jiān)視有關(guān)車輛速度、方向盤轉(zhuǎn)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(dāng)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(cè)傾桿中的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機和減震器上的電磁閥來相應(yīng)調(diào)整車輛的側(cè)角和阻尼(圖1)?？刂茊卧嗷プ饔靡苑乐咕o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(shè)計整合到其高端轎車的一年，”NXP半導(dǎo)體公司業(yè)務(wù)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(dǎo)體供應(yīng)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(shè)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(zé)人Claas Bracklo表示。

“通過適當(dāng)?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(dǎo)體技術(shù)，該技術(shù)將由IP-Extreme公司提供授權(quán)。

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(gòu)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(zhuǎn)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(luò)中片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)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(chǔ)。

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(yīng)用以及我們的FlexRay驗證元件的授權(quán)專門技術(shù)將促進高可靠性FlexRay網(wǎng)絡(luò)的采用，”NXP公司汽車業(yè)務(wù)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(shè)置、控制、監(jiān)視和發(fā)射/接收服務(wù)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(quán)(IP)包括PE和一個支持使用各個接收和傳輸緩沖器的預(yù)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?qū)⑵渥约旱腃HI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(quán)，該IP已經(jīng)在飛思卡爾公司的MC9S12XFR128、MFR4300和MPC55xx電源架構(gòu)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(dǎo)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(quán)的E-Ray內(nèi)核的特定應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(wù)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(luò)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(qū)動電路、LCD控制器/驅(qū)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(dǎo)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(jié)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(guān)插槽/片段邊界顯示，包括基本周期和周期重復(fù)時合格的具體FlexRay通信的觸發(fā)器能力。通過導(dǎo)入將全面FlexRay方案定義到Agilent MSO的FIBEX文件，設(shè)計工程師可以看到片斷和插槽定時邊界的同步時間相關(guān)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(shè)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(qū)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(qū)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(wù)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(luò)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(yīng)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(dǎo)體16/32位汽車MCU產(chǎn)品經(jīng)理Jim Shockey表示，“從事件驅(qū)動型通信向時間驅(qū)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。