带宽、复杂性及性能挑战推动汽车业向新型网络架构发展

 

　　汽车业内的重组活动与其行业追求的安全性、可靠性相互矛盾，变革成功与否的前提条件是预先的周密计划。汽车电子的新一轮变革将改写现行的控制网络架构，并不可避免地影响到汽车 IC 及网络自身。

　　所以，这种势在必行的架构变化将决定并促进汽车 IC 的发展；生产成本得以降低；且嵌入式软件开发及维护问题得到进一步重视。当今的控制器局域网 (CAN) 在汽车行业的普及率基本达到 100%，但它们都是以多个、独立的 CAN 网络形式并存。今后几年，这种网络将向互连总线转变，以适应子网络的需求。

　　新一代关键任务功能将应用到高速、确定性网络上，如标准开发联盟FlexRay(参加厂商包括 BMW、Bosch 、戴姆勒克莱斯勒、通用汽车等)。专用的信息娱乐总线将处理多媒体数据，但通过摄像头实现的智能传感功能也需要高速网络的支持。

　　成功造就挑战

　　在过去十年中，随着安全系统、底盘控制系统及娱乐系统功能的不断增加，控制变得更加困难；复杂性成倍提高使得软件开发难度加大、生产成本增加；1 Mb/s CAN 总线的带宽开始无法满足要求。所有这些趋势都在推动网络架构向差异化方向发展：

　　* 新功能需要更多的电子控制单元 (ECU)，目前这些 ECU 的效率较低且价格昂贵。

　　* 用于控制及 A/V 的数字带宽是 CAN 的瓶颈。

　　* 复杂的安全系统功能需要完全确定的网络。

　　* 16 位 MCU 的性能已无法满足运算需求。

　　不断升级的处理器意味着为每种应用选择最佳的处理器，并确保其有效通信。在部分实例中可能由数字信号处理器 (DSP) 替代 MCU。

 

　　更少的 CAN 总线实现更好的通信

　　在中端市场中，大多数新车有 4～5 根 CAN 总线，分别用于信息娱乐、车身控制、变速与制动、仪表检测及诊断。减少总线数量非常重要。

　　图 1  为未来可能通用的一种汽车网络架构

　　确定性 FlexRay 网络每通道的吞吐能力最高可达 10 Mb/s，其主要负责处理关键安全应用。底盘控制系统、引擎控制、变速控制及电动助力转向系统由各自的高速网络控制。

　　使用DSP 时，最好用电动助力转向系统 (EPS) 替代液压助力转向系统，这样不仅能够实现较高的运算效率，同时还能确保中断响应时间低至 80ns。仪表板及无线电通信仍使用传统的 CAN 环网，尽管高端信息娱乐设备所需的数据速率超过 1Mb/s。

　　一种叫做媒体定向系统传输 (MOST) 的光纤网络协议比较适合多媒体应用。不过，铜线IEEE1394 系统也是一种不错的选择。车身控制子网仍可能包括支持传统车身控制(如座椅、车顶、车窗等)功能的 CAN 环网，以便在相互之间或与位于车门或中央仪表台的主控按钮通信。
图 1 中，每个主要的环网均与中心网关相连以便在必要时相互通信。使用中央网关就必须在生产线上对车载中所有 MCU 的闪存写入程序，这需要大量的数据管道。

　　可选网络

　　制动装置、引擎、变速器、门锁、方向盘等所有网络系统需要非常大的带宽，有些还需要确定性数据传输。随着智能车辆的发展，其他系统如前视后视摄像头以及用于下载定制信息的无线接入，将进一步加重网络负荷。

　　仅有 1Mb/s 带宽的 CAN 不太可能成为未来的高速网络。相比之下，FlexRay 由于具备 20 Mb/s 带宽和双通道拓扑结构而独占鳌头，一些汽车制造商已开始在部分车型中采用FlexRay 网络。BMW 在其 700 系列车型中采用了 Byteflight 专有网络，尽管是专利技术， 但 Byteflight 与FlexRay 仍有很多共同点。2007 年 FlexRay 进入市场后将会逐步取代专有总线，预计到 2010 年将获得 20% 的市场份额。

　　TI 向高端市场提供了集成 32 位 ARM 内核的 TMS470 MCU 平台。该平台主要针对与FlexRay 网络相连的底盘、气囊以及车身控制系统而开发的。为了达到性能标准，与 CAN 环网相连的 ECU 通常需要配置具有 16 或 32 个信箱区的 CAN 控制器。一般还需要闪存容量为 1M 的 48 MHz 部件，如 TI 专为汽车应用设计的5V、16/32 位TMS470x MCU。

　　典型架构应集成具备内存和外设的 16/32 位 RISC 引擎、16 层寄存器文件、存储器地址总线 (MAB) 及存储器数据总线 (MDB)。此外，还应具备超强的模拟输入输出 (I/O) 处理能力、体积小、低功耗等重要特性。TI 的 TMS470 MCU 系列完全符合上述要求，TI 基于DSP 的平台—32 位 TMS320F28x数字信号控制器甚至可以提供 DSP 与 MCU 的所有功能。

　　展望未来

　　驾驶员对高安全性、多功能的需求以及数字媒体的应用正在推动汽车业向新型网络架构发展。
这种转变对 MCU 的性能需求以及软件开发方式都产生了深远的影响，但奇怪的是汽车架构变化的主线是网络标准。随着新型架构的成功部署，主要障碍将会彻底清除，开发更豪华、更安全、更可靠的汽车将不成问题。