未来几年，汽车电子设计人员的路将会坎坷不平。无论北美、欧洲，还是亚洲汽车装配线上开出的汽车中，还没有一种车内数据总线可以完全满足汽车娱乐、安全性和智能控制方面的所有要求。因此，选择正确的数据总线能够带来竞争优势，但选择工程却越来越困难，因为全球汽车制造商们采用的是不同的解决方案……
电子推动系统的创新
最近几年，汽车电子的增长非常惊人。根据电子和电气工程师协会(1EEE)的数据，传统的车身控制和引擎管理功能，加上新的驾驶辅助（driver-assistance）和汽车远程信息(telematics)系统，使得汽车电子的年发展速率高达16%。IEEE预测，到2005年，中型汽车中的电子成份将占总车成本的25%。
汽车电子领域中一个高速发展的领域是汽车远程信息系统，它是移动通信和车内信息处理技术融合的结果。值得注意的是，汽车远程信息系统应用的市场特点与消费类产品非常类似：产品上市时间短、产品市场寿命短，而且标准和协议处于不断变化之中。这些市场特点与传统的汽车电子应用相对较长的设计周期正好相反，传统汽车应用主要考虑的是安全性和工具成本等因素。
传统系统，如CAN(控制器区域网络)和J1850应用于车身控制已有多年。但其带宽和速度限制使得这些串行的事件驱动的总线难以处理新的实时应用。
目前，市场上出现了一系列采用时间触发协议和光学数据总线的新总线标准。这些车内总线网络可分为四类：
（1）车身控制——仪表板/仪器面板、反射镜、座椅安全带、门锁和被动气囊。
（2）娱乐和驾驶信息系统——收音机、Web浏览器、CD/DVD播放机、远程信息系统和信息娱乐系统。
（3）发动机罩下（under the hood）应用——防抱死刹车、排放控制、动力总成以及传输系统。
（4）高级安全系统——线控刹车、线控转向以及驾驶辅助系统(主动安全性)。
“发动机罩下”总线
两种用于发动机罩下系统的网络主要用于从座位调整到防抱死刹车在内的多种功能。
（1）控制区域网络(CAN)
作为最早也是生命力最强的控制网络之一，CAN总线的应用最为广泛。全世界安装的结点超过1亿个。
典型的汽车中会用到速度不同的两到三个CAN总线。一个低速CAN总线运行在125Kbps，用于管理车身控制电子部分，如座椅和车窗运行控制，以及其它简单的用户接口。一个高速(高达1Mbps)的CAN总线运行需要实时通信的关键功能，如引擎管理、防抱死刹车以及巡航控制。
CAN协议正成为轿车、卡车以及越野车辆发动机罩下连接的事实标准。CAN协议的一个突出特点是其传输可靠性高。
（2）本地互连网络(LIN)
开发本地互连网络(LIN)的目的，是在成本关键和低数据传输速率的应用中作为CAN总线的补充。LIN总线是一种低成本串行总线，主要用来连接车身控制电子系统。对于不需要CAN总线所提供的带宽和强大功能的智能传感器和制动器，LIN提供了有效的通信手段。典型应用包括车门窗控制(车窗、门锁以及后视镜)、座椅、空调装置、灯光以及雨刷传感器。
LIN总线是基于UART的单主/多从网络架构，最初主要针对汽车传感器和制动器网络应用而开发。LIN主结点将LIN网络连接到更高级网络(如CAN总线)，从而将网络连接的好处扩展到每个传感器和制动器。
（3）娱乐和驾驶信息系统
汽车信息娱乐和远程信息设备，特别是汽车导航系统，需要功能强大的操作系统和连接能力。直到今天，开放式标准和专用总线均独立且和平地共存于汽车之中。但由于系统融合的压力，未来的系统将会需要集成的电子子系统。
通过采用开放式行业标准，从制造商到服务中心以及零售商的整个价值链上的所有厂商都可集中于为客户提供核心技术和经验。开放标准将可节约为专用车辆或私有计算平台开发独立的不兼容设计所花费的大量重复性时间和投入。
几个行业机构和协会性组织正领导着汽车行业的标准化工作，包括MOST(面向媒体的系统传输)协会、IDB(智能传输系统数据总线)论坛和蓝牙(Bluetooth)特殊兴趣组织(SIG)。
（4）面向媒体的系统传输(MOST)
MOST网络可连接多种设备，包括汽车导航、数字射频、显示、蜂窝电话以及CD/DVD等。MOST技术针对塑料光纤媒体而优化，可支持高达24.8Mbps的数据速率，并且在器件层提供高度可靠性和可扩展性。
MOST提供了对实时音频和压缩视频的完全支持。它受到德国汽车制造商和供应商的强烈支持。MOST总线的支持者包括宝马(BMW)、戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)、Harman/Becker和OASIS硅系统公司。最近，MOST应用的一个著名例子是Harman/Becker公司在其最新的BMW 7系列中采用了MOST总线。
（5）智能传输系统数据(IDB)总线
IDB论坛负责为后续市场和便携式设备的OEM厂商管理IDB-C和IDB-1394总线以及标准接口。基于CAN总线，IDBC针对工作速率为250Kbps的设备。
IDB-1394(基于IEEE-1394 Fire Wire标准)则针对高速多媒体应用而设计。IDB-1394网络采用光纤技术，速率达400Mbps。应用包括DVD和CD播放机、显示器和音频/视频系统。
IDB-1394允许1394兼容的便携式消费电子设备能够连接到汽车内网络并实现互操作。例如，Za-yante公司就为消费者市场提供1394物理层设备。最近与福特汽车公司联合进行的一项演示包括数码视频相机以及Sony Play Station TM2游戏机、以及两种视频显示器和一种DVD播放机的即插即用。
（6）数字数据总线
数字数据总线(D2B)是针对多媒体数据通信的一种网络协议，可集成数字音频、视频和其它高数据速率同步或异步信号。其运行速度高达11.2Mbps，使用Smart Wire非屏蔽双绞线对或单光纤。
这种通信网络由英国C&CElectronics公司推动，并得到Jaguar和奔驰(Mercedes-Benz)公司的支持。例如在Jaguar X型、S型和新款XJ Saloon型汽车中的集成多媒体通信系统就采用了D2B。
D2B光纤多媒体系统旨在保持后向兼容的情况下与新技术一起演进。D2B光纤总线基于一种开放式架构，简化了扩展，因为当在光纤环中增加一种新设备或功能时并不需要改变连接线缆。总线仅使用一条聚合物光纤来处理车内多媒体数据和控制信息。这样的可靠性更高，外部器件和连接器更少，并且可大大降低总体系统重量。
（7）蓝牙和ZigBee
蓝牙无线技术是一种用于移动设备和WAN/LAN接人点的低成本、低功耗的短距离射频技术。蓝牙标准描述了手机、计算机和PDA如何方便地实现彼此之间的互连，以及与家庭和商业电话和计算机设备的互连。
蓝牙特殊兴趣组的成员包括汽车多媒体接口协作组织(AMIC)、宝马、戴姆勒•克莱斯勒、福特、通用汽车、丰田汽车以及大众汽车。做为蓝牙在汽车中应用的一个例子，Johnson Controls公司的免提手机系统“Blue Connect”允许司机在双手扶住方向盘的情况下通过支持蓝牙功能的手机保持联系。
当然，对于蓝牙设备的长期支持仍然有一些担忧。问题集中于车内恶劣的电磁噪声会如何影响蓝牙的工作。轿车和其它车辆的寿命要比消费类产品或手机长得多，因此芯片制造商必须解决由此而带来的支持和服务生命期不匹配的问题。另一方面，克莱斯勒在Convergence 2002展会上展出了使用蓝牙技术的汽车。然而，有些人仍然认为蓝牙技术在车内环境中的应用不会流行起来。因此，出现了一种针对低数据速率无线数据传输和控制的新兴标准。ZigBee无线网络解决方案是一种由菲利浦最先倡导的低数据速率(868MHz至2.4GHz)、低功耗和低成本系统。ZigBee的传输范围达75米，主要应用范围包括工业控制、家庭自动化、消费类应用以及潜在的汽车应用。
高级安全系统
从轮胎和刹车技术的进步，到侧撞保护和安全气囊，直到今天的辅助驾驶系统，安全设备已经从物理领域转向电子领域。
最新的汽车采用了大量的电子技术和传感器，不断监测和评估周围的环境、为司机显示相关信息，并且在某些情况下，甚至接管车辆的控制。
高级安全系统包括线控技术(例如，线控驾驶和线控刹车)，利用更安全更轻便的电子系统来代替传统的液压软管和机械连接。
高级实时安全系统的其它例子还包括距离控制、自动调节和传感气囊系统、雷达停车、倒车提示系统以及倒车监视器(安装在汽车保险杠上帮助停车)。
（1）FlexRay
FlexRay网络通信系统针对下一代线控汽车应用。这些应用需要确定的、具有容错能力的支持分布式控制系统的高速总线。宝马、戴姆勒克莱斯勒、菲利浦半导体、摩托罗拉和最新成员Bosch正在开发用于下一代应用的FlexRay标准。
FlexRay系统并非仅仅是一个通信协议。它还包括一种特殊设计的高速收发器，并定义了FlexRay“结点”不同部件间的硬件和软件接口。FlexRay协议定义了网络化汽车系统中的通信过程格式和功能。FlexRay的设计旨在补充CAN、LIN和MOST网络。
作为一种可扩展的系统，FlexRay技术同时支持异步和同步数据传输。同步数据传输支持时间触发的通信，可满足需要高度可靠通信的系统要求。FlexRay的同步数据传输是确实性的，最少消息延迟和消息抖动都有保证。它支持冗余和容错分布式时钟同步，从而可保证所有网络结点时序保持在一个紧凑的预先确定的精确窗口内。基于byteflight协议基础的异步传输允许每个结果利用全带宽进行事件驱动的通信。
（2）时间触发协议
针对容错的实时分布式系统而设计的时间触发协议(TFP)保证了不会存在单点性故障。
TTP是可处理安全性关键应用的成熟低成本解决方案。目前的第二代芯片支持高达25Mbps的通信速度。TIP管理组织TTAGroup成员包括奥迪、SA、Renault、NEC、TYChip、Delphi和Visteon等。
（3）时间触发的CAN
时间触发的CAN(TICAN)标准是对CAN协议的扩展。它在现有数据链路层和物理层的上面增加了一个会话层，可保证即使在峰值总线负载时仍可满足所有传输时间要求。协议实现了一种同时也适合于事件触发通信的混合式时钟触发TDMA(时分多路复用)机制。TYCAN的一些目标应用包括引擎管理系统以及传输和机架控制，范围包括线控应用。
可编程逻辑解决方案
我们看到有如此多种类的汽车内总线标准，因此未来的几年时间对于汽车电子设计人员来说简直就象穿越雷区。选择合适的数据总线是成功的关键。因为现在不仅要考虑系统集成和生产中的单元测试，还要考虑开下生产线甚至售出多时的汽车。
对于为许多OEM提供部件的第一层供应商和后续市场产品企业，这一问题更为突出，因为它们的客户通常会选择不同的数据总线和协议。汽车行业已经远远不再是为每一OEM设计不同的单元，而是为每种汽车型号设计不同的单元。取而代之的设计方法更加强调可重配置平台。
能够提供软件和可重编程硬件灵活划分的设计平台使得制造商可在设计过程的晚期(甚至在生产过程中)改变系统总线和接口。可重配置系统概念支持尝试不同的标准和协议。FPGA和CPLD等可编程逻辑器件(PLD)支持在设计的所有阶段进行修改，从设计原型到试生产，直到大规模生产。
PLD还可减轻超量库存问题，因为通用的FPGA可用于多个项目，并非专用器件。即使基于可编程逻辑的单元已经上路，仍然可通过无线通信链路对其进行重新配置，从而实现系统升级或增加额外的功能。
（1）使用成品IP内核
通过使用成品IP内核模块，可重配置硬件平台以快速推向市场。例如，Memec Design最近宣布推出一种成本优化的CAN内核。这一内核包括了完整的数据链路层，包括成帧器、发送接收控制、错误校正内核设计和灵活的接口。位速率和子位段都可配置满足所连接的CAN总线的时序要求。
Memec内核旨在提供高达1Mbps的总线位速率，最低内核时钟频率为8MHz。它可提供消息过滤器间的接口、消息优先级机制以及多种系统功能，如传感器/致动器控制。
此外，MemecCAN总线还可嵌入到系统应用中，用于实现与微控制器和不同外设功能的接门。另一个例子是Intelliga公司的iLIN内核，这是一种LIN总线控制器IP内核。该内核使用一种同步8位通用微控制器接口，利用最小的缓冲来传输消息数据。此外，参考设计包括一个单个从消息响应过滤器和软件接口，允许连接的微控制器进行地址过滤。
这一新兴LIN车身控制协议可容易地利用Intel-liga iDEV原型板进行演示和测试。演示板利用一块Xilinx Spartan-IIE FPGA实现，不仅可演示LIN总线，还可演示CAN和TYCAN总线。
（2）总线共存
几种车内总线网络可共存于同一汽车内，从而可提供适当的数据速率、强健性和成本组合。其中，LIN总线负责处理反射镜、天窗、车窗等处，电机间的低成本低速连接。一个CAN总线负责仪表板、车身控制器、门锁和空调系统间的数据通信和控制。最后，高速MOST光纤总线连接娱乐、导航和通信设备。这一模型还可扩展至包括一个FlexRay总线(或其它实时安全总线)，以处理高级安全系统所需要的高速、实时数据。
结论
成本、可靠性和性能之间的微妙平衡带来了多种新兴车内总线系统，从而使得未来的汽车设计决策更为复杂。由于不知道到底哪种标准会最终成功流行开来，因此汽车OEM厂商需要支持不止一种标准。
针对这一困境有了一种卓越的解决方案。基于赛灵思可编程逻辑和IP内核的可重配置平台是解决这一设计困境的最佳方法。不需要牺牲性能或成本优势，赛灵思提供的可配置硬件和软件系统允许制造商在设计流程的后期，在生产过程中甚至在产品发售给客户以后，能够快速适应不断变化的标准和协议。
参考网站：
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.
karen.parnell@xilinx.com
