全面剖析FlexRay最新半導(dǎo)體解決方案

首個(gè)投入生產(chǎn)的FlexRay應(yīng)用是BMW公司X5運(yùn)動(dòng)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(yùn)行”或“舒適”駕駛時(shí)，AdaptDrive會(huì)通過控制抗側(cè)傾桿中的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)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)。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(shè)計(jì)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(gè)車型中實(shí)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(diǎn)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。”

今年早些時(shí)候，F(xiàn)lexRay協(xié)會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，這簡化了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程，從根本上降低了成本，”FlexRay協(xié)會(huì)發(fā)言人、BMW軟硬件部門負(fù)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)， FlexRay的市場采用速度“有望迅速加快”?！癋lexRay協(xié)會(huì)的幾個(gè)會(huì)員已經(jīng)確立了在其汽車平臺中采用FlexRay的最終時(shí)間表和計(jì)劃，”他表示。

刺激采用FlexRay的另一個(gè)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(gè)80MHz SJA2510 FlexRay 2.1控制器和一個(gè)TJA1080收發(fā)器組成的FlexRay系統(tǒng)。該控制器基于帶有高達(dá)1MB的嵌入式閃存和超過48Kb SRAM的32位ARM968 CPU。它具有32個(gè)模擬輸入和24個(gè)16位脈寬調(diào)制(PWM)輸出，可以支持6個(gè)控制器局域網(wǎng)(CAN) 2.0B控制器和8個(gè)本地互連網(wǎng)(LIN) 2.0主控制器。TJA1080工作于節(jié)點(diǎn)和有源星形模式，是眾多FlexRay拓?fù)渲械囊粋€(gè)構(gòu)件。

飛思卡爾公司的FlexRay產(chǎn)品包括MC9S12XFR和MFR4300。MC9S12XFR基于一個(gè)帶XGATE協(xié)處理器的16位40MHz HCS12X中央處理器。它還包含一個(gè)用于每兩個(gè)通道上高達(dá)10Mbps的串行通信的FlexRay 2.1協(xié)議模塊、帶可選糾錯(cuò)碼(ECC)的128KB閃存、2KB電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、16KB隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)以及一個(gè) 0.5MHz～16MHz或0.5MHz～40MHz的石英晶振。MC9S12XFR還包含一個(gè)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(dá)254字節(jié)數(shù)據(jù)配置的128個(gè)消息緩沖器，以及兩個(gè)可配置接收先進(jìn)先出(FIFO)消息緩沖器。

NXP 和IPextreme公司正在攜手推廣用于驗(yàn)證FlexRay網(wǎng)絡(luò)中片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)的FlexRay驗(yàn)證環(huán)境(圖2)。利用Cadence Design Systems的Cadence Incisive驗(yàn)證平臺，Yogitech SPA幫助NXP創(chuàng)建了一個(gè)供FlexRay客戶使用的電子驗(yàn)證元件(eVC)。隨后，eVC驗(yàn)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(yàn)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(yàn)證元件的授權(quán)專門技術(shù)將促進(jìn)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(gè)驗(yàn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)定義了許多會(huì)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(jìn)行受約束的隨機(jī)驗(yàn)證，以確保其實(shí)現(xiàn)的正確行為。

Savage介紹道，F(xiàn)lexRay控制器一般由兩個(gè)主要區(qū)塊組成：一個(gè)控制主機(jī)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(jī)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(shí)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(gè)支持使用各個(gè)接收和傳輸緩沖器的預(yù)驗(yàn)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(jìn)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(yàn)證的PE，”Savage表示，他還補(bǔ)充道，F(xiàn)lexRay eVC套件可以驗(yàn)證定制CHI和整個(gè)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(shí)現(xiàn)。DECOMSYS計(jì)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)128個(gè)不同的標(biāo)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(gè)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(rèn)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(gè)不同的標(biāo)識符。

除了其雙通道FlexRay總線接口之外，F(xiàn)ujitsu MCU還包含一個(gè)I²C、兩個(gè)CAN和三個(gè)LIN-USART接口。其它特性包括帶讀出保護(hù)功能的544KB閃存、32KB RAM、一個(gè)硬件看門狗、一個(gè)17通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、重裝定時(shí)器、秒表功能以及一個(gè)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(gè)能夠與16位和32位微控制器集成的獨(dú)立FlexRay協(xié)議控制器、一個(gè)收發(fā)器、軟件和外圍器件組成的總線系統(tǒng)。英飛凌計(jì)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(shí)，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(shí)鐘，從而釋放了兩個(gè)I/O引腳。

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

除了片上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LCD控制器/驅(qū)動(dòng)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(gè)CAN接口。

開發(fā)工具供應(yīng)商正在對他們的產(chǎn)品進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行時(shí)環(huán)境(RTE)和FlexRay模塊配置是一致的，開發(fā)時(shí)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(kuò)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(gè)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(shí)方案的時(shí)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(shí)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(jì)工程師可以看到片斷和插槽定時(shí)邊界的同步時(shí)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(jì)節(jié)點(diǎn)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(gè)步驟自動(dòng)配置整個(gè)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(diǎn)配置。它通過FIBEX通信數(shù)據(jù)庫檢查一致性，并通過自動(dòng)計(jì)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(gè)先進(jìn)的商業(yè)產(chǎn)品程序。FlexRay驅(qū)動(dòng)器是AUTOSAR FlexRay堆棧的一個(gè)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(shí)，F(xiàn)lexRay驅(qū)動(dòng)器可以提供獨(dú)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(gè)COM層、一個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)路由器和一個(gè)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(jìn)行了優(yōu)化，并具備小占位面積、低延遲和確定性響應(yīng)時(shí)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(cuò)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(gè)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(dòng)型通信向時(shí)間驅(qū)動(dòng)型通信的遷移是一個(gè)革命性的改變，需要一些時(shí)間?！?/P>

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