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基于MCU、定制ASIC和體積龐大的電線(xiàn)束來(lái)實(shí)現引擎及控制電子的系統方案已發(fā)展至接近其技術(shù)和應用極限，汽車(chē)工業(yè)正面臨新的設計挑戰，本文介紹FPGA在賽車(chē)引擎控制單元中的應用，幫助設計人員緩解產(chǎn)品更快推出市場(chǎng)的壓力、減少元件數目、在單一硬件平臺上實(shí)施標準化以及滿(mǎn)足不斷升級的安全要求。 過(guò)去汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期是漫長(cháng)的，而現在許多汽車(chē)制造商現正致力于在更短的時(shí)間內，裝備消費者所需的新一代汽車(chē)。諸如GPS導航系統和DVD播放機等設備的產(chǎn)品生命周期相對較短，因此，產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度非常重要。今天，采用ASIC可能會(huì )使開(kāi)發(fā)周期增加30周，加上掩模成本大幅攀升，使得開(kāi)支和風(fēng)險也進(jìn)一步提高。 與此同時(shí)，因為當今的汽車(chē)引入了許多標準和技術(shù)，使ASIC的應用缺乏靈活性，從而增加其被廢棄和延遲應用的風(fēng)險。消費者還要求享有各種功能選項，使得汽車(chē)廠(chǎng)商必需以一套元件組合為基礎，再根據不同需求進(jìn)行配置。為了快速實(shí)現這些高度集成和不斷變化的系統，能夠使產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)的FPGA為汽車(chē)廠(chǎng)商帶來(lái)了所需的靈活性，可在現場(chǎng)進(jìn)行系統硬件升級，而毋須執行昂貴的返工工程和部件更換。所以，FPGA現已應用于汽車(chē)電子中，范疇從設計驗證到制造和服務(wù)。隨著(zhù)汽車(chē)內的空間日益寶貴，可編程邏輯能在小型單芯片方案上集成許多不同功能的特性也顯得極具吸引。 FPGA器件的可靠性和安全性 汽車(chē)電子設計人員通過(guò)使用具有擴展溫度范圍的FPGA技術(shù)，能夠顯著(zhù)提高應對多種故障的能力。雖然許多元件供應商采用預防性的設計技術(shù)及限定方法來(lái)模擬和仿真環(huán)境影響，但是某些FPGA構架在承受擴展溫度范圍方面仍然具有先天優(yōu)勢。舉例說(shuō)，Actel以反熔絲為基礎的汽車(chē)器件能承受業(yè)界最高的結點(diǎn)溫度(+150℃)，為設計人員的高可靠性系統帶來(lái)更大的性能冗余。 在高溫下工作的能力不僅有利于抵御故障。由于汽車(chē)電子應用在空間和成本上都沒(méi)有余地來(lái)加設風(fēng)扇和散熱裝置，因此器件必須在沒(méi)有外部散熱裝置的情況下仍能提供所需的性能。 極端的環(huán)境往往會(huì )導致與FPGA組裝和封裝相關(guān)的故障模式，而與裝置本身無(wú)關(guān)。所以在汽車(chē)電子系統的各個(gè)層面預留規格余地非常重要。FPGA供貨商如Xilinx和Actel等提供的產(chǎn)品具有較寬的軍用溫度范圍，能夠更好地定義熱膨脹系數，避免熱應力的影響。 即使在正常的溫度和電壓下工作，在FPGA的柵極氧化膜上反復施加電壓應力最終也會(huì )使器件內的電介質(zhì)絕緣層發(fā)生擊穿。這種隨使用時(shí)間累計而產(chǎn)生的擊穿現象稱(chēng)為“時(shí)間相關(guān)絕緣擊穿”(TDDB)。加上深亞微米技術(shù)的應用，會(huì )增加這類(lèi)故障在現場(chǎng)發(fā)生的風(fēng)險。 問(wèn)題是新工藝采用了高壓應力測試進(jìn)行評估。這類(lèi)測試在取得氧化膜壽命的統計預測數據以及探測重要的制造與工藝難度方面很有效，但在建模和預測產(chǎn)品的早期故障方面收效甚微，特別是對于偶發(fā)性的故障。最初的擊穿會(huì )在器件投入使用后很短時(shí)間內造成嚴重的故障后果(見(jiàn)圖1)。 圖1：恒壓條件下4.2nm氧化膜的TDDB評測結果(注意早期擊穿區域產(chǎn)生的偶發(fā)性故障)。 找出及消除這些最初擊穿故障的原因是一大挑戰。從TDDB數據進(jìn)行測試和驗證能得出氧化膜的真正擊穿壽命極限，但是這些數據在確定單個(gè)器件產(chǎn)品的壽命方面并不可靠。 即使半導體供應商有方法找出或消除早期故障，越來(lái)越多推測指出90nm器件的真正壽命周期可能不足以滿(mǎn)足許多商業(yè)應用的要求。如果這些理論正確，汽車(chē)產(chǎn)品設計人員可能別無(wú)選擇，只有指定基于更可靠幾何尺寸和工藝的器件，為了提高可靠性而被迫放棄新一代工藝的邊際效益。 影響汽車(chē)系統可靠性的因素 了解汽車(chē)電子產(chǎn)品的主要物理故障風(fēng)險后，現在來(lái)討論安全和防篡改等問(wèn)題可能顯得奇怪。然而，任何影響汽車(chē)系統可靠性因素的討論，如果沒(méi)有考慮人為干預(有意或無(wú)意的)的影響，都是不完整的。重要的是，我們必須確認汽車(chē)安全性和可靠性的建立是從組件層面開(kāi)始。舉例說(shuō)，如果黑客能夠侵入基于FPGA的衛星無(wú)線(xiàn)總臺接收器，并破壞用戶(hù)的身份鑒別機制，某些不道德的用戶(hù)就可以免費取用服務(wù)。系統的安全機制一旦被擊破，便可輕易地將有關(guān)的技術(shù)散布給大眾取用。只要登陸某些網(wǎng)站，就可輕松找到各種破解收費服務(wù)的控制臺軟件。從汽車(chē)制造商的角度來(lái)看，高風(fēng)險的情況可能涉及汽車(chē)的防盜或安全系統。 或許更危險的情況是越來(lái)越多人嘗試“調�！逼�(chē)產(chǎn)品以提高性能，此舉通常會(huì )破壞地區或國家性的安全和環(huán)境標準。這類(lèi)非法改裝活動(dòng)經(jīng)由多種渠道提供，往往很難以控制和打擊。許多改裝者會(huì )重新校準各式車(chē)載系統元件的常規設置，并修改燃油輸送、電子點(diǎn)火時(shí)間及其它控制功能，以便增強性能。 當然，這些改變可能會(huì )造成汽車(chē)在違反制造商的技術(shù)規格和保修規定的情況下行駛，但聰明的改裝者卻提供選項，可以將所有改動(dòng)還原，令到損壞及超標使用的汽車(chē)符合制造商的保修條款，以期獲得合法的賠償。 要減少這些安全問(wèn)題，應從技術(shù)的選定開(kāi)始。業(yè)界專(zhuān)家普遍同意反熔絲是現有最安全的可編程架構，因為要清楚讀取以反熔絲為基礎器件的狀態(tài)極之困難。例如，Actel的200萬(wàn)門(mén)反熔絲FPGA包含約5,300萬(wàn)個(gè)反熔絲，當中只有2-5%會(huì )在一般的設計中進(jìn)行編程。因此，若要成功讀取某項設計的內容機會(huì )微乎其微，更何況更改其中的編程狀態(tài)。 一般而言，基于Flash的器件也是安全的；由于Flash的半導體層面不會(huì )發(fā)生任何物理變化，因此不可能通過(guò)非法探測來(lái)得知器件的狀態(tài)。一些供應商甚至采用訪(fǎng)問(wèn)密鑰等方案，進(jìn)一步加強保護措施。Actel的新型ProASICPLUS系列便采用了79至263位長(cháng)的密鑰，一旦用密鑰來(lái)保護后，內容便不可能被讀取，除非對器件進(jìn)行解鎖。相反地，基于SRAM的器件需要外加配置器件(通常為板載PROM)，在上電時(shí)向SRAM器件發(fā)送配置位流。但此位流很容易被黑客攔截，從而進(jìn)行復制或直接讀取其內容。 賽車(chē)引擎控制單元(ECU)應用實(shí)例 在眾多汽車(chē)電子系統開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中，賽車(chē)一直是FPGA大顯身手的場(chǎng)所。在汽車(chē)ECU領(lǐng)域，FPGA可協(xié)助提升靈活性、性能和可靠性。各大涉及賽車(chē)業(yè)務(wù)的機構，如先進(jìn)引擎研究有限公司(AER，Advanced Engine Research Ltd)屬下的電子設計部Life Racing，已開(kāi)始在其ECU設計中引入Actel以Flash為基礎ProASIC Plus的FPGA器件。有競爭力的賽車(chē)ECU需要采用復雜的調節算法，專(zhuān)為每個(gè)獨立的控制器而優(yōu)化，以管理引擎的定時(shí)功能。使用傳統的解決方案即標準定時(shí)處理單元(TPU)控制器，這個(gè)關(guān)鍵軟件會(huì )隨著(zhù)應用要求的改變，需要進(jìn)行重大的修改。然而，借助基于Flash的FPGA的系統內可重編程功能(ISP)，設計人員可以利用單芯片的上電運行FPGA器件取代以往的TPU控制器，從而縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間、減少調試需求和加速產(chǎn)品的整體上市時(shí)間(圖2)。 圖2：Life Racing的引擎控制單元 在ECU中，一般FPGA的主要功能是從機軸觸輪信號中提取引擎的位置信息。FPGA會(huì )根據抽象的機軸角度發(fā)出CPU中斷信號，而非傳統設計應用的觸輪齒位，因而提高了靈活性和精度。ECU通常會(huì )將燃料添加和點(diǎn)火動(dòng)作編為定時(shí)的調度事件，并以調度代碼執行時(shí)間的引擎工作狀況為基礎。在事件發(fā)生前改變引擎工作狀態(tài)會(huì )引起角度誤差，而調度代碼往往與當前引擎的機軸觸輪輪齒式樣密切相關(guān)。FPGA能令調度代碼不受信號式樣影響，還能通過(guò)監測引擎工作狀況來(lái)進(jìn)行事件調度和持續調節，直至事件發(fā)生。此舉能提升代碼效率和靈活性，同時(shí)改善動(dòng)態(tài)狀況下的控制精度。 而且，基于Flash的FPGA(如Actel的ProASIC Plus)的上電運行功能，能助設計人員除去傳統需要用來(lái)阻止燃料注射驅動(dòng)器或點(diǎn)火線(xiàn)圈驅動(dòng)器在上電期間啟動(dòng)的附加元件。 Life Racing專(zhuān)有的ECU設計F88便成功地應用于2003年度SupeRFund World Series的第一輪賽事中 — 這是進(jìn)入一級方程式大賽(Formula 1)的重要踏腳石。 目前，商用道路車(chē)輛制造商也在考慮采用Life Racing的ECU。這個(gè)控制單元具有高度靈活性，最適用于原型制造和研發(fā)環(huán)境，能應付各式不同的引擎設置。FPGA正獲得廣泛接納，用于新一代汽車(chē)電子的設計方案中。在選擇FPGA的過(guò)程中深入了解各種技術(shù)的獨特性能，汽車(chē)設計人員便能從最有前景的技術(shù)中獲益，而不會(huì )影響業(yè)界在制造高可靠性和成本效益汽車(chē)方面的美譽(yù)。 |
