全面剖析FlexRay汽车网络技术的解决方案

    首个投入生产的FlexRay应用是BMW公司X5运动型多功能轿车(SAV)上名为AdaptiveDrive的系统。AdaptiveDrive基于飞思卡尔半导体的32位FlexRay微控制器，它可以监视有关车辆速度、方向盘转度、纵向和横向加速度、车身和轮子加速度和行驶高度的数据。

    当驾驶员按下按钮选择“运行”或“舒适”驾驶时，AdaptDrive会通过控制抗侧倾杆中的旋转发动机和减震器上的电磁阀来相应调整车辆的侧角和阻尼(图1)。控制单元相互作用以防止紧急翻车，BMW工程师选择了带10Mbps带宽的FlexRay以获得这些控制单元之间的快速数据传输。

    “今年(2007年)将是全球各大汽车制造商加快将FlexRay设计整合到其高端轿车的一年，”NXP半导体公司业务开发经理Toni Versluijs表示。

    “BMW公司已从今年开始在几个车型中实现FlexRay。下一辆配备FlexRay的车型将在2008、2009和2010年冲击市场，并将在未来十年越来越多地用于公共汽车上，”他表示，“FlexRay将开始在高端轿车中代替CAN模块。在低端轿车中，增加的节点数将完全得到CAN和LIN的支持，直到FlexRay覆盖到所有车辆类型中。这将在未来十年里发生。”

    今年早些时候，FlexRay协会发布了FlexRay V2.1协议和物理层一致性测试，从而完成了FlexRay V2.1规范组。半导体供应商可将通信控制器和物理层器件提交给一致性测试合作伙伴，包括针对协议一致性的TUV Nord和针对物理层一致性的C&S Group和TZ Mikroelektronik公司。产品必须通过一致性测试才能被鉴定为与FlexRay V2.1标准兼容。

    “现在，汽车制造商可以受益于不同区域和跨越其自有轿车平台的公共标准，这简化了设计和生产过程，从根本上降低了成本，”FlexRay协会发言人、BMW软硬件部门负责人Claas Bracklo表示。

    “通过适当的一致性测试，全球的汽车制造商可以在其新的汽车平台中采用FlexRay开始。”Bracklo表示，既然FlexRay已经投入生产，FlexRay的市场采用速度“有望迅速加快”。“FlexRay协会的几个会员已经确立了在其汽车平台中采用FlexRay的最终时间表和计划，”他表示。

    刺激采用FlexRay的另一个因素是NXP和飞思卡尔在合作协议下开发的半导体技术，该技术将由IP-Extreme公司提供授权。

    NXP公司提供由一个80MHz SJA2510 FlexRay 2.1控制器和一个TJA1080收发器组成的FlexRay系统。该控制器基于带有高达1MB的嵌入式闪存和超过48Kb SRAM的32位ARM968 CPU。它具有32个模拟输入和24个16位脉宽调制(PWM)输出，可以支持6个控制器局域网(CAN) 2.0B控制器和8个本地互连网(LIN) 2.0主控制器。TJA1080工作于节点和有源星形模式，是众多FlexRay拓扑中的一个构件。

    飞思卡尔公司的FlexRay产品包括MC9S12XFR和MFR4300。MC9S12XFR基于一个带XGATE协处理器的16位40MHz HCS12X中央处理器。它还包含一个用于每两个通道上高达10Mbps的串行通信的FlexRay 2.1协议模块、带可选纠错码(ECC)的128KB闪存、2KB电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、16KB随机存取存储器(RAM)以及一个0.5MHz～16MHz或0.5MHz～40MHz的石英晶振。MC9S12XFR还包含一个16通道模数转换器和6通道PWM，并支持CAN 2.0 A/B。

    MFR4300配备可选的FlexRay 2.1单通道或双通道支持、可通过多达254字节数据配置的128个消息缓冲器，以及两个可配置接收先进先出(FIFO)消息缓冲器。

    NXP和IPextreme公司正在携手推广用于验证FlexRay网络中片上系统(SoC)设计的FlexRay验证环境(图2)。利用Cadence Design Systems的Cadence Incisive验证平台，Yogitech SPA帮助NXP创建了一个供FlexRay客户使用的电子验证元件(eVC)。随后，eVC验证了FlexRay可执行参考模型，从而成为FlexRay一致性测试的基础。

    验证元件拓宽了NXP公司从产品到IP的FlexRay产品线。“IPextreme公司的IP集成应用以及我们的FlexRay验证元件的授权专门技术将促进高可靠性FlexRay网络的采用，”NXP公司汽车业务产品线总经理Paul van der Plas表示。

    “将这个验证解决方案与我们从飞思卡尔销售和支持的FlexRay控制器内核捆绑在一起可为任何想将FlexRay接口增加到其芯片的工程师创建一个完整的解决方案，”IPextreme首席执行官Warren Savage表示。

    Savage已经注意到FlexRay标准定义了许多会产生上千种可能的通信配置的选择方案，他表示，eVC套件使工程师能够在限定的配置范围内进行受约束的随机验证，以确保其实现的正确行为。

    Savage介绍道，FlexRay控制器一般由两个主要区块组成：一个控制主机接口(CHI)和协议引擎(PE)。CHI向FlexRay设置、控制、监视和发射/接收服务提供主机处理器接入，PE则处理FlexRay流量和协议功能。

    他表示，CHI一般都经过定制，从而实现终端产品差异化，而PE则保持一致，以确保遵循FlexRay规范。IPextreme公司的FRCC2100知识产权(IP)包括PE和一个支持使用各个接收和传输缓冲器的预验证CHI接口，带单缓冲和双缓冲传输、状态或事件传输模式、接收FIFO功能、消息缓冲器过滤、帧监视和双通道模式。

    “FRCC2100已经彻底进行过分区，以便客户能够将其自己的CHI增加到经过验证的PE，”Savage表示，他还补充道，FlexRay eVC套件可以验证定制CHI和整个FlexRay系统。

     去年秋季，Dependable Computer Systems GmbH公司(DECOMSYS)从IPextreme公司获得了使用FRCC2100 IP的授权，该IP已经在飞思卡尔公司的MC9S12XFR128、MFR4300和MPC55xx电源架构控制器、BMW公司的AdaptDrive以及NXP公司的SJA2510 ARM9控制器中得以实现。DECOMSYS计划在其硬件和DECOMSYS:: BUSDOCTOR 2(图3)这样的监控解决方案中使用该IP，从而代替该公司一直使用的MFR4200。

    其他半导体公司正在进入FlexRay市场。富士通微电子美国公司正在营销基于Robert Bosch GmbH公司授权的E-Ray内核的特定应用标准产品(ASSP) MB88121。MB88121支持双通道工作，附带超过8KB的消息缓冲内存以支持多达128个不同的标识符。

    Fujitsu公司于三月份推出用于驾驶员辅助应用的FlexRay控制器。MB91F465XA基于一个电压范围为3.0V～5.5V的32位100 MHz Fujitsu FR 70 CPU，该控制器采用经过TUV Nord认证的Bosch E-Ray内核和VHDL代码。它通过提供超过8KB的消息缓冲内存，可以支持双通道和FIFO操作以及218个不同的标识符。

    除了其双通道FlexRay总线接口之外，Fujitsu MCU还包含一个I2C、两个CAN和三个LIN-USART接口。其它特性包括带读出保护功能的544KB闪存、32KB RAM、一个硬件看门狗、一个17通道的10位模数转换器、重装定时器、秒表功能以及一个能够在外部4MHz或32kHz石英晶振上工作的RTC模块(图4)。

    英飞凌正在开发由一个能够与16位和32位微控制器集成的独立FlexRay协议控制器、一个收发器、软件和外围器件组成的总线系统。英飞凌计划采用austriamicrosystems AG公司开发的FlexRay IP。瑞萨科技美国公司汽车业务部市场营销总监Paul Fox表示，他们公司目前正在开发将支持FlexRay的32位CISC和RISC微控制器。

    与此同时，英飞凌和瑞萨等公司则提供各种用于CAN和LIN网络的产品。瑞萨提供的产品包括能够减少同步所需的中断次数的LIN硬件控制电路，并提供总线冲突检测和唤醒功能。LIN控制器能够采用内部振荡器以5%的精度工作，也可以通过软件将精度调整至1%。内部振荡器不再需要外部时钟，从而释放了两个I/O引脚。

    TI的TPIC1021独立LIN 2.0收发器通过提供高达17kV的IEC和12kV的人体模型(HBM)静电放电(ESD)保护功能，从而不再需要外部保护元器件。符合汽车规格(AEC-Q100)的CAN收发器SN65HVD1050Q具备高达±8kV的HBM ESD，足以消除外部保护元器件的需要。

    除了片上步进电机驱动电路、LCD控制器/驱动器、并行LCD总线和语音发生器之外，NEC电子美国公司的V850E/Dx3系列32位汽车级微控制器还配备了两个CAN接口。

    开发工具供应商正在对他们的产品进行升级，以利用FlexRay的出现。Elektrobit公司最近已经将FlexRay作为集成元器件增加到其tresos汽车标准内核中，该内核已经包含了CAN和LIN。该公司表示，公司将可能在tresos电子控制单元(ECU)工具内部采用基本配置的FlexRay堆栈。Tresos内部的操作系统(OS)、运行时环境(RTE)和FlexRay模块配置是一致的，开发时间同步应用的工程师将能够采用简单的XML表示法来描述模块间的相关性。包含tresos和DECOMSYS公司的FlexRay DESIGNER ASR的经过调谐的工具链将允许工程师导入和扩展AUTOSAR配置。

    DECOMSYS与Agilent联手开发了用于FlexRay触发和协议解码测量的示波器。该示波器结合了一个带DECOMSYS::BUSDOCTOR 2协议分析仪的Agilent 6000系列混合信号示波器(MSO)，从而提供全面FlexRay定时方案的时间相关插槽/片段边界显示，包括基本周期和周期重复时合格的具体FlexRay通信的触发器能力。通过导入将全面FlexRay方案定义到Agilent MSO的FIBEX文件，设计工程师可以看到片断和插槽定时边界的同步时间相关显示。

    TTAutomotive已经发布了用于开发和优化基于FlexRay的电子控制单元、设计节点以及根据针对FlexRay堆栈的AUTOSAR规范配置汽车系统的软件TTXBuild。该工具据称能够以单个步骤自动配置整个软件堆栈。对于过程集成，它通过脚本语言提供批处理模式执行和节点配置。它通过FIBEX通信数据库检查一致性，并通过自动计算最佳AUTOSAR分配参数来确保有效的AUTOSAR配置。

    据TTAutomotive公司表示，其AUTOSAR FlexRay堆栈和配置工具已被选定用于一个先进的商业产品程序。FlexRay驱动器是AUTOSAR FlexRay堆栈的一个核心元件，并且是微控制器抽象层的一部分。搭配通信ECU抽象层内部的FlexRay使用时，FlexRay驱动器可以提供独立于硬件的API，以访问FlexRay控制器。TTAutomotive公司还提供用于服务层的元器件，包括一个COM层、一个协议数据单元(PDU)路由器和一个传输协议部件。网络管理部件增加了至集群的唤醒和睡眠功能。这些部件都针对同步操作进行了优化，并具备小占位面积、低延迟和确定性响应时间。

    Vector Informatik公司于今年四月推出了用于测试FlexRay总线的硬件模块FRstress(图5)。该工具据称能够生成协议错误及控制总线物理层特性，从而以指定方式干扰FlexRay总线。

    “FlexRay不是一个简单的协议，”飞思卡尔半导体16/32位汽车MCU产品经理Jim Shockey表示，“从事件驱动型通信向时间驱动型通信的迁移是一个革命性的改变，需要一些时间。”

    但是FlexRay是正在生产和部署的比如今的CAN和LIN更快的总线，这是必然的。