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FlexRay實(shí)現的初期功能是邁向全自動(dòng)無(wú)人駕駛(或近乎全自動(dòng)駕駛)的第一步。雖然最早的設想是實(shí)現汽車(chē)線(xiàn)控(X-by-wire)(線(xiàn)控驅動(dòng)、線(xiàn)控駕駛等)，然而其他發(fā)展趨勢也在推動(dòng)FlexRay技術(shù)的發(fā)展和應用。主要表現在生產(chǎn)效率、安全法規要求愈來(lái)愈高，各種舒適便利功能日趨增多。 同時(shí)，這些發(fā)展趨勢也對電子控制架構和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議性能提出了更高的要求。簡(jiǎn)單地說(shuō)，將來(lái)的汽車(chē)將需要更高帶寬的總線(xiàn)，及確保迅速響應緊急任務(wù)的確定性協(xié)議。 FlexRay的10Mbps帶寬、內置容錯功能和確定性正是針對這些需求而設計的。FlexRay還能夠兼容多種網(wǎng)絡(luò )拓撲，并具有可擴展性來(lái)應對新的工程挑戰。 未來(lái)業(yè)界已采用了十幾年的CAN和LIN總線(xiàn)仍能勝任自己的工作。事實(shí)上，采用FlexRay未必會(huì )對LIN應用(如雨刷和電控車(chē)窗)產(chǎn)生太大的影響。因為這些都僅限于局部控制，無(wú)需與汽車(chē)其余部件進(jìn)行大量通信，而且只需要很低的數據帶寬。 圖：FlexRay的設計支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲。 CAN也注定會(huì )在將來(lái)的汽車(chē)控制架構中扮演重要的角色。雖然CAN無(wú)法滿(mǎn)足現代汽車(chē)對總帶寬的要求，但靈活的工程設計至少會(huì )暫時(shí)提供符合實(shí)際的解決方案。 這些解決方案包括多個(gè)互連的CAN網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)劃分網(wǎng)絡(luò )來(lái)滿(mǎn)足帶寬要求，同時(shí)避免將所有數據都放在同一條總線(xiàn)上。這項經(jīng)驗證和路測的技術(shù)對CAN特別有益。在高度注重安全的汽車(chē)行業(yè)，其設計變化需要規劃到將來(lái)的數十年，這確實(shí)是個(gè)優(yōu)勢。 寶馬采用FlexRay進(jìn)行減震控制就是一個(gè)很容易理解的例子，該功能本可以由CAN來(lái)實(shí)現。采用FlexRay直接替換CAN，弄清楚了新技術(shù)如何在現實(shí)生活中應用，就能明白其出眾的性能。 不過(guò)逐步采用FlexRay是肯定無(wú)疑的，因為FlexRay能夠全面降低復雜性，并可提供更經(jīng)濟有效的解決方案。從長(cháng)遠來(lái)看，其10Mbps帶寬和內置容錯功能，可以為將來(lái)的汽車(chē)提供最有效的一流解決方案。 減少復雜性，實(shí)現更多溝通 隨著(zhù)汽車(chē)中增強安全和舒適體驗的功能越來(lái)越多，實(shí)現這些功能的電子控制單元(ECU)的數量也在持續上升。如今高端汽車(chē)有100多個(gè)ECU，如果不采用新架構，該數字可能還會(huì )增長(cháng)。ECU操作和眾多CAN總線(xiàn)之間的協(xié)調配合日益復雜，嚴重阻礙線(xiàn)控(X-by-wire)的發(fā)展。即使可以解決復雜性問(wèn)題，CAN也缺乏線(xiàn)控所必需的確定性和容錯功能。 復雜性問(wèn)題已引起工程設計領(lǐng)域的強烈關(guān)注，不僅要簡(jiǎn)化汽車(chē)制造流程，還需降低整個(gè)子系統的成本。實(shí)現這一目標的最佳途徑就是減少ECU數量。當然，這也意味著(zhù)那些剩下的ECU需要提供更多的服務(wù)和擁有更強的性能。同時(shí)，由于要與其他ECU更頻繁地通信，所以對網(wǎng)絡(luò )帶寬的要求更高，這對安全系統而言尤其重要。 為了使FlexRay硅開(kāi)發(fā)駛入快車(chē)道，飛利浦半導體公司和飛思卡爾半導體公司已同意交換FlexRay知識產(chǎn)權。交換知識產(chǎn)權將促使這兩家公司的FlexRay控制器和微控制器采用共同的FlexRay協(xié)議引擎設計，以確保FlexRay設備間的互操作性。正是這種合作將促使FlexRay技術(shù)迅速的應用到汽車(chē)當中。 靈活的架構 FlexRay在試驗階段后又將如何實(shí)施呢？圖1所示為高級汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )拓撲中FlexRay的應用示例。 FlexRay可以應用在無(wú)源總線(xiàn)和星形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，也可以應用在兩者的組合拓撲結構中。這兩種拓撲均支持雙通道ECU，這種ECU集成多個(gè)系統級功能，以節約生產(chǎn)成本并降低復雜性。圖1所示的雙通道架構提供冗余功能，并使可用帶寬翻了一番。每個(gè)通道的最大數據傳輸率達到10Mbps。 無(wú)源總線(xiàn)拓撲的主要優(yōu)勢在于，采用設計工程師熟悉的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )架構，因而有效控制成本。在需要更高帶寬、更短延遲時(shí)間或確定性行為，而同時(shí)容錯功能并非必需的情況下，這種無(wú)源總線(xiàn)拓撲非常有用。典型的應用領(lǐng)域就是直接替換CAN以滿(mǎn)足帶寬要求。 而使用星型拓撲卻可完全解決容錯問(wèn)題，因為如果出現意外情況，星型的支路可以有選擇的切斷。如果無(wú)源總線(xiàn)線(xiàn)纜長(cháng)度超過(guò)規定限制，星型拓撲還可以用作復制器。 除了其拓撲的靈活性以外，FlexRay尚有許多其他協(xié)議無(wú)法比擬的優(yōu)勢。它同時(shí)支持時(shí)間觸發(fā)(確定性)通信和事件觸發(fā)通信，如啟動(dòng)制動(dòng)順序(braking sequence)。 FlexRay還支持總線(xiàn)間的多種消息傳遞架構。隨著(zhù)FlexRay在汽車(chē)上的廣泛使用以及網(wǎng)絡(luò )日益統一，這項功能將越發(fā)重要。例如，若干家汽車(chē)制造商已經(jīng)實(shí)施或提議采用一種網(wǎng)絡(luò )架構，不管采用何種通信協(xié)議，所有通信通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現。為了跨越協(xié)議邊界通信，要求網(wǎng)絡(luò )支持多個(gè)消息傳遞選項。 硅技術(shù)實(shí)現 作為汽車(chē)控制架構中日益重要的組成部分，FlexRay技術(shù)為半導體公司開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的市場(chǎng)。當然，具備性能更優(yōu)、帶寬更高的芯片是必需的，但半導體公司也必須及時(shí)作出重要的戰略決策。為爭奪FlexRay市場(chǎng)份額，芯片公司必須做出決定，是擴展現有芯片(大部分可能為支持CAN而設計)的性能，還是遵循平臺策略，以創(chuàng )建真正專(zhuān)用的FlexRay系列芯片。 基本上有兩個(gè)硅組件必需要考慮，即收發(fā)器和邏輯電路，前者在總線(xiàn)上發(fā)送和接收數據，而后者則包括基本的微控制器功能及專(zhuān)門(mén)針對FlexRay的通信控制。 在過(guò)去，收發(fā)器通常相對比較簡(jiǎn)單，但是，FlexRay拓撲的靈活性及實(shí)現事件觸發(fā)或時(shí)間觸發(fā)的操作模式對收發(fā)器意義重大。下面列舉其中一部分： 1. 10Mbps的數據處理速率； 2. 支持FlexRay節點(diǎn)和有源星型拓撲； 3. 提供電源管理功能，提高ECU效率； 4. 為時(shí)間驅動(dòng)和事件驅動(dòng)模式集成兩個(gè)專(zhuān)用的控制輸入； 5. 支持本地和遠程喚醒功能； 6. 提供錯誤檢測； 7. 符合汽車(chē)行業(yè)的嚴格規范要求(例如ESD和EMC領(lǐng)域，同時(shí)涉及上述各個(gè)方面)。 集成化解決方案 在收發(fā)器和微控制器實(shí)現的基本控制功能之間，是專(zhuān)門(mén)針對通信和FlexRay協(xié)議的控制功能。實(shí)現該功能的方法有兩個(gè)，其一是單獨在通信控制器IC上實(shí)現，另一是將其集成到MCU架構中，但這要求采用FlexRay的平臺策略。 后者在性能、可靠性和成本方面都有優(yōu)勢。將MCU和通信控制器集成到一塊芯片上，可減少部件數量，降低組件成本并縮短工程設計時(shí)間，而且還有允許內存共享等其他優(yōu)勢。當微控制器和通信控制不要求單獨的內存時(shí)，設計者甚至可以在降低系統成本的同時(shí)，在芯片上實(shí)現更多的性能。將FlexRay控制器集成到MCU架構的另一個(gè)優(yōu)勢是可以在硬件或軟件上實(shí)現分區。這使FlexRay真正實(shí)現靈活性和可擴展性。 汽車(chē)行業(yè)決定起草FlexRay標準時(shí)采用一種靈活的方法，這對實(shí)現FlexRay MCU硅片具有重要意義。 首先，要求具有相當大的計算能力。當今汽車(chē)應用中常用的大多數8位或16位MCU最終都將被淘汰，32位MCU架構會(huì )比較合適。 如上所述，車(chē)內網(wǎng)絡(luò )在可預見(jiàn)的將來(lái)并不統一。因此，除了支持FlexRay v2.1規范以外，最適合網(wǎng)關(guān)應用的MCU必須集成多個(gè)LIN 2.0和CAN 2.0B控制器，并為媒體定向系統傳輸(MOST)總線(xiàn)和以太網(wǎng)做好準備。 隨著(zhù)汽車(chē)越來(lái)越多地使用電子設備和軟件來(lái)體現產(chǎn)品差異，省電也相當重要�？梢酝ㄟ^(guò)提供各種電源模式或選擇性地開(kāi)關(guān)外圍設備，將能耗調整到實(shí)際需要的MCU成為首選，因為將來(lái)內存需求還會(huì )增加，從組件成本及性能角度考慮，統一內存架構更為重要。 飛利浦SJA2510 FlexRay微控制器擁用32位ARM968E核心，最高頻率可達80MHz；一個(gè)完整集成FlexRay v2.1的雙通道控制器，六個(gè)CAN控制器，八個(gè)LIN主控制器和多種高級電源模式。 此外，該公司的TJA1080 FlexRay收發(fā)器也與上述收發(fā)器特征相當匹配。TJA1080是唯一可以同時(shí)以無(wú)源總線(xiàn)模式和星型模式操作的收發(fā)器。 嚴格的規范已準備就緒，一些基于FlexRay的系統也即將部署，因此，汽車(chē)和半導體公司都在考慮線(xiàn)控技術(shù)。安全性是部署線(xiàn)控時(shí)的首要考慮因素，FlexRay的規范將包括一個(gè)監控總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)的總線(xiàn)監控器，這樣在傳輸過(guò)程中就不會(huì )丟失或損壞數據。 FlexRay聯(lián)盟仍在定義總線(xiàn)監控器的概念。中央總線(xiàn)監控器和分布式總線(xiàn)監控器概念也在考慮中。規范完成后，會(huì )在硅上實(shí)現該概念，但預期于2006年實(shí)施的FlexRay應用將不需要總線(xiàn)監控器。同時(shí)，我們將會(huì )看到，由FlexRay實(shí)現的便利性、控制和安全功能會(huì )越來(lái)越多。當線(xiàn)控時(shí)代到來(lái)時(shí)，FlexRay將是一項經(jīng)過(guò)充分測試及實(shí)際驗證的較為成熟的技術(shù)。 作者：飛利浦半導體公司 業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 Toni Versluijs |
