未來幾年，汽車電子設計人員的路將會坎坷不平。無論北美、歐洲，還是亞洲汽車裝配線上開出的汽車中，還沒有一種車內數據總線可以完全滿足汽車娛樂、安全性和智能控制方面的所有要求。因此，選擇正確的數據總線能夠帶來競爭優勢，但選擇工程卻越來越困難，因為全球汽車制造商們采用的是不同的解決方案……

電子推動系統的創新

最近幾年，汽車電子的增長非常驚人。根據電子和電氣工程師協會(1EEE)的數據，傳統的車身控制和引擎管理功能，加上新的駕駛輔助（driver-assistance）和汽車遠程信息(telematics)系統，使得汽車電子的年發展速率高達16%。IEEE預測，到2005年，中型汽車中的電子成份將占總車成本的25%。

汽車電子領域中一個高速發展的領域是汽車遠程信息系統，它是移動通信和車內信息處理技術融合的結果。值得注意的是，汽車遠程信息系統應用的市場特點與消費類產品非常類似：產品上市時間短、產品市場壽命短，而且標準和協議處于不斷變化之中。這些市場特點與傳統的汽車電子應用相對較長的設計周期正好相反，傳統汽車應用主要考慮的是安全性和工具成本等因素。

傳統系統，如CAN(控制器區域網絡)和J1850應用于車身控制已有多年。但其帶寬和速度限制使得這些串行的事件驅動的總線難以處理新的實時應用。

目前，市場上出現了一系列采用時間觸發協議和光學數據總線的新總線標準。這些車內總線網絡可分為四類：
（1）車身控制——儀表板/儀器面板、反射鏡、座椅安全帶、門鎖和被動氣囊。
（2）娛樂和駕駛信息系統——收音機、Web瀏覽器、CD/DVD播放機、遠程信息系統和信息娛樂系統。
（3）發動機罩下（under the hood）應用——防抱死剎車、排放控制、動力總成以及傳輸系統。
（4）高級安全系統——線控剎車、線控轉向以及駕駛輔助系統(主動安全性)。

“發動機罩下”總線

兩種用于發動機罩下系統的網絡主要用于從座位調整到防抱死剎車在內的多種功能。

（1）控制區域網絡(CAN)

作為最早也是生命力最強的控制網絡之一，CAN總線的應用最為廣泛。全世界安裝的結點超過1億個。

典型的汽車中會用到速度不同的兩到三個CAN總線。一個低速CAN總線運行在125Kbps，用于管理車身控制電子部分，如座椅和車窗運行控制，以及其它簡單的用戶接口。一個高速(高達1Mbps)的CAN總線運行需要實時通信的關鍵功能，如引擎管理、防抱死剎車以及巡航控制。

CAN協議正成為轎車、卡車以及越野車輛發動機罩下連接的事實標準。CAN協議的一個突出特點是其傳輸可靠性高。

（2）本地互連網絡(LIN)

開發本地互連網絡(LIN)的目的，是在成本關鍵和低數據傳輸速率的應用中作為CAN總線的補充。LIN總線是一種低成本串行總線，主要用來連接車身控制電子系統。對于不需要CAN總線所提供的帶寬和強大功能的智能傳感器和制動器，LIN提供了有效的通信手段。典型應用包括車門窗控制(車窗、門鎖以及后視鏡)、座椅、空調裝置、燈光以及雨刷傳感器。

LIN總線是基于UART的單主/多從網絡架構，最初主要針對汽車傳感器和制動器網絡應用而開發。LIN主結點將LIN網絡連接到更高級網絡(如CAN總線)，從而將網絡連接的好處擴展到每個傳感器和制動器。

（3）娛樂和駕駛信息系統

汽車信息娛樂和遠程信息設備，特別是汽車導航系統，需要功能強大的操作系統和連接能力。直到今天，開放式標準和專用總線均獨立且和平地共存于汽車之中。但由于系統融合的壓力，未來的系統將會需要集成的電子子系統。

通過采用開放式行業標準，從制造商到服務中心以及零售商的整個價值鏈上的所有廠商都可集中于為客戶提供核心技術和經驗。開放標準將可節約為專用車輛或私有計算平臺開發獨立的不兼容設計所花費的大量重復性時間和投入。

幾個行業機構和協會性組織正領導著汽車行業的標準化工作，包括MOST(面向媒體的系統傳輸)協會、IDB(智能傳輸系統數據總線)論壇和藍牙(Bluetooth)特殊興趣組織(SIG)。

（4）面向媒體的系統傳輸(MOST)

MOST網絡可連接多種設備，包括汽車導航、數字射頻、顯示、蜂窩電話以及CD/DVD等。MOST技術針對塑料光纖媒體而優化，可支持高達24.8Mbps的數據速率，并且在器件層提供高度可靠性和可擴展性。

MOST提供了對實時音頻和壓縮視頻的完全支持。它受到德國汽車制造商和供應商的強烈支持。MOST總線的支持者包括寶馬(BMW)、戴姆勒克萊斯勒(DaimlerChrysler)、Harman/Becker和OASIS硅系統公司。最近，MOST應用的一個著名例子是Harman/Becker公司在其最新的BMW 7系列中采用了MOST總線。

（5）智能傳輸系統數據(IDB)總線

IDB論壇負責為后續市場和便攜式設備的OEM廠商管理IDB-C和IDB-1394總線以及標準接口�；贑AN總線，IDBC針對工作速率為250Kbps的設備。

IDB-1394(基于IEEE-1394 Fire Wire標準)則針對高速多媒體應用而設計。IDB-1394網絡采用光纖技術，速率達400Mbps。應用包括DVD和CD播放機、顯示器和音頻/視頻系統。

IDB-1394允許1394兼容的便攜式消費電子設備能夠連接到汽車內網絡并實現互操作。例如，Za-yante公司就為消費者市場提供1394物理層設備。最近與福特汽車公司聯合進行的一項演示包括數碼視頻相機以及Sony Play Station TM2游戲機、以及兩種視頻顯示器和一種DVD播放機的即插即用。

（6）數字數據總線

數字數據總線(D2B)是針對多媒體數據通信的一種網絡協議，可集成數字音頻、視頻和其它高數據速率同步或異步信號。其運行速度高達11.2Mbps，使用Smart Wire非屏蔽雙絞線對或單光纖。

這種通信網絡由英國C&CElectronics公司推動，并得到Jaguar和奔馳(Mercedes-Benz)公司的支持。例如在Jaguar X型、S型和新款XJ Saloon型汽車中的集成多媒體通信系統就采用了D2B。

D2B光纖多媒體系統旨在保持后向兼容的情況下與新技術一起演進。D2B光纖總線基于一種開放式架構，簡化了擴展，因為當在光纖環中增加一種新設備或功能時并不需要改變連接線纜。總線僅使用一條聚合物光纖來處理車內多媒體數據和控制信息。這樣的可靠性更高，外部器件和連接器更少，并且可大大降低總體系統重量。

（7）藍牙和ZigBee

藍牙無線技術是一種用于移動設備和WAN/LAN接人點的低成本、低功耗的短距離射頻技術。藍牙標準描述了手機、計算機和PDA如何方便地實現彼此之間的互連，以及與家庭和商業電話和計算機設備的互連。

藍牙特殊興趣組的成員包括汽車多媒體接口協作組織(AMIC)、寶馬、戴姆勒•克萊斯勒、福特、通用汽車、豐田汽車以及大眾汽車。做為藍牙在汽車中應用的一個例子，Johnson Controls公司的免提手機系統“Blue Connect”允許司機在雙手扶住方向盤的情況下通過支持藍牙功能的手機保持聯系。

當然，對于藍牙設備的長期支持仍然有一些擔憂。問題集中于車內惡劣的電磁噪聲會如何影響藍牙的工作。轎車和其它車輛的壽命要比消費類產品或手機長得多，因此芯片制造商必須解決由此而帶來的支持和服務生命期不匹配的問題。另一方面，克萊斯勒在Convergence 2002展會上展出了使用藍牙技術的汽車。然而，有些人仍然認為藍牙技術在車內環境中的應用不會流行起來。因此，出現了一種針對低數據速率無線數據傳輸和控制的新興標準。ZigBee無線網絡解決方案是一種由菲利浦最先倡導的低數據速率(868MHz至2.4GHz)、低功耗和低成本系統。ZigBee的傳輸范圍達75米，主要應用范圍包括工業控制、家庭自動化、消費類應用以及潛在的汽車應用。

高級安全系統

從輪胎和剎車技術的進步，到側撞保護和安全氣囊，直到今天的輔助駕駛系統，安全設備已經從物理領域轉向電子領域。

最新的汽車采用了大量的電子技術和傳感器，不斷監測和評估周圍的環境、為司機顯示相關信息，并且在某些情況下，甚至接管車輛的控制。

高級安全系統包括線控技術(例如，線控駕駛和線控剎車)，利用更安全更輕便的電子系統來代替傳統的液壓軟管和機械連接。

高級實時安全系統的其它例子還包括距離控制、自動調節和傳感氣囊系統、雷達停車、倒車提示系統以及倒車監視器(安裝在汽車保險杠上幫助停車)。

（1）FlexRay

FlexRay網絡通信系統針對下一代線控汽車應用。這些應用需要確定的、具有容錯能力的支持分布式控制系統的高速總線。寶馬、戴姆勒克萊斯勒、菲利浦半導體、摩托羅拉和最新成員Bosch正在開發用于下一代應用的FlexRay標準。

FlexRay系統并非僅僅是一個通信協議。它還包括一種特殊設計的高速收發器，并定義了FlexRay“結點”不同部件間的硬件和軟件接口。FlexRay協議定義了網絡化汽車系統中的通信過程格式和功能。FlexRay的設計旨在補充CAN、LIN和MOST網絡。

作為一種可擴展的系統，FlexRay技術同時支持異步和同步數據傳輸。同步數據傳輸支持時間觸發的通信，可滿足需要高度可靠通信的系統要求。FlexRay的同步數據傳輸是確實性的，最少消息延遲和消息抖動都有保證。它支持冗余和容錯分布式時鐘同步，從而可保證所有網絡結點時序保持在一個緊湊的預先確定的精確窗口內。基于byteflight協議基礎的異步傳輸允許每個結果利用全帶寬進行事件驅動的通信。

（2）時間觸發協議

針對容錯的實時分布式系統而設計的時間觸發協議(TFP)保證了不會存在單點性故障。
TTP是可處理安全性關鍵應用的成熟低成本解決方案。目前的第二代芯片支持高達25Mbps的通信速度。TIP管理組織TTAGroup成員包括奧迪、SA、Renault、NEC、TYChip、Delphi和Visteon等。

（3）時間觸發的CAN

時間觸發的CAN(TICAN)標準是對CAN協議的擴展。它在現有數據鏈路層和物理層的上面增加了一個會話層，可保證即使在峰值總線負載時仍可滿足所有傳輸時間要求。協議實現了一種同時也適合于事件觸發通信的混合式時鐘觸發TDMA(時分多路復用)機制。TYCAN的一些目標應用包括引擎管理系統以及傳輸和機架控制，范圍包括線控應用。

可編程邏輯解決方案

我們看到有如此多種類的汽車內總線標準，因此未來的幾年時間對于汽車電子設計人員來說簡直就象穿越雷區。選擇合適的數據總線是成功的關鍵。因為現在不僅要考慮系統集成和生產中的單元測試，還要考慮開下生產線甚至售出多時的汽車。

對于為許多OEM提供部件的第一層供應商和后續市場產品企業，這一問題更為突出，因為它們的客戶通常會選擇不同的數據總線和協議。汽車行業已經遠遠不再是為每一OEM設計不同的單元，而是為每種汽車型號設計不同的單元。取而代之的設計方法更加強調可重配置平臺。

能夠提供軟件和可重編程硬件靈活劃分的設計平臺使得制造商可在設計過程的晚期(甚至在生產過程中)改變系統總線和接口�？芍嘏渲孟到y概念支持嘗試不同的標準和協議。FPGA和CPLD等可編程邏輯器件(PLD)支持在設計的所有階段進行修改，從設計原型到試生產，直到大規模生產。

PLD還可減輕超量庫存問題，因為通用的FPGA可用于多個項目，并非專用器件。即使基于可編程邏輯的單元已經上路，仍然可通過無線通信鏈路對其進行重新配置，從而實現系統升級或增加額外的功能。

（1）使用成品IP內核

通過使用成品IP內核模塊，可重配置硬件平臺以快速推向市場。例如，Memec Design最近宣布推出一種成本優化的CAN內核。這一內核包括了完整的數據鏈路層，包括成幀器、發送接收控制、錯誤校正內核設計和靈活的接口。位速率和子位段都可配置滿足所連接的CAN總線的時序要求。

Memec內核旨在提供高達1Mbps的總線位速率，最低內核時鐘頻率為8MHz。它可提供消息過濾器間的接口、消息優先級機制以及多種系統功能，如傳感器/致動器控制。

此外，MemecCAN總線還可嵌入到系統應用中，用于實現與微控制器和不同外設功能的接門。另一個例子是Intelliga公司的iLIN內核，這是一種LIN總線控制器IP內核。該內核使用一種同步8位通用微控制器接口，利用最小的緩沖來傳輸消息數據。此外，參考設計包括一個單個從消息響應過濾器和軟件接口，允許連接的微控制器進行地址過濾。

這一新興LIN車身控制協議可容易地利用Intel-liga iDEV原型板進行演示和測試。演示板利用一塊Xilinx Spartan-IIE FPGA實現，不僅可演示LIN總線，還可演示CAN和TYCAN總線。

（2）總線共存

幾種車內總線網絡可共存于同一汽車內，從而可提供適當的數據速率、強健性和成本組合。其中，LIN總線負責處理反射鏡、天窗、車窗等處，電機間的低成本低速連接。一個CAN總線負責儀表板、車身控制器、門鎖和空調系統間的數據通信和控制。最后，高速MOST光纖總線連接娛樂、導航和通信設備。這一模型還可擴展至包括一個FlexRay總線(或其它實時安全總線)，以處理高級安全系統所需要的高速、實時數據。

結論

成本、可靠性和性能之間的微妙平衡帶來了多種新興車內總線系統，從而使得未來的汽車設計決策更為復雜。由于不知道到底哪種標準會最終成功流行開來，因此汽車OEM廠商需要支持不止一種標準。

針對這一困境有了一種卓越的解決方案。基于賽靈思可編程邏輯和IP內核的可重配置平臺是解決這一設計困境的最佳方法。不需要犧牲性能或成本優勢，賽靈思提供的可配置硬件和軟件系統允許制造商在設計流程的后期，在生產過程中甚至在產品發售給客戶以后，能夠快速適應不斷變化的標準和協議。

參考網站：
1、CAN    http://www.can.bosch.com
2、GM LAN    http://www.gmtcny.com/lan.htm
3、MOST    www.mostnet.de
4、TTTech    http://www.ttagroup.org；http://www.ttchip.com
5、FlexRay   www.flexray.com
6、D2B   http://www.candc.co.uk
7、LIN   http://www.lin-subbus.org
8、Intelliga (LIN)   http://www.intelliga.co.uk
9、Bluetooth    http://www.bluetooth.com
10、IDB  http://www.idbforum.org
11、ZigBee    http://www.zigbee.org
12、Xilinx Automotive    http://www.xilinx.com/automotive/

More information, please reference to Winter 2004  of Xcell Journal, Xilinx, Inc., or contact:
Karen Parnell
Automotive Product Manager,  Xilinx, Inc.
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