利用FPGA實現(xiàn)低成本汽車多總線橋接
[導讀]汽車中的電子單元持續(xù)快速增長，因此對比一下汽車電子發(fā)展和消費類電子便攜式產(chǎn)品的發(fā)展會有很大啟發(fā)。今天的消費者希望在汽車中獲得手持便攜式電子設(shè)備所提供的方便與舒適性。汽車電子將不再專門用于引擎管理系統(tǒng)或
汽車中的電子單元持續(xù)快速增長，因此對比一下汽車電子發(fā)展和消費類電子便攜式產(chǎn)品的發(fā)展會有很大啟發(fā)。今天的消費者希望在汽車中獲得手持便攜式電子設(shè)備所提供的方便與舒適性。汽車電子將不再專門用于引擎管理系統(tǒng)或車身控制，而是擴展應用到新的領(lǐng)域，如信息娛樂、通信以及司機/乘客輔助系統(tǒng)。
設(shè)計人員面臨的一個嚴峻設(shè)計挑戰(zhàn)是必須保證汽車壽命與車內(nèi)電子設(shè)備的壽命相匹配，這樣才能避免由于技術(shù)過時和設(shè)備淘汰而增加額外的成本。從8軌唱片播放機到音頻磁帶播放機，再到CD播放機和MP3播放機，如此快速的發(fā)展提醒汽車設(shè)計師車內(nèi)電子設(shè)備的生命周期相對短得多。不斷出現(xiàn)的新興汽車標準以及標準本身的不斷變化進一步導致選擇標準時必須考慮到其壽命、靈活性以及被接受的廣泛程度。目前使用的一些標準包括本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)以及藍牙等。
汽車電子部件設(shè)計人員面臨的其它挑戰(zhàn)還包括滿足低成本目標、擴展溫度范圍以及小型化要求?？删幊踢壿嬈骷?PLD)在過去10多年時間里獲得了長足的發(fā)展，提供了更高的性能、更低的功耗、工作溫度范圍更寬、外形更小且成本更低，因此PLD對于汽車設(shè)計人員越來越具吸引力。
根據(jù)業(yè)界市場研究公司Gartner Dataquest(2003年11月)的報告，全球汽車電子應用市場2003年約為7320萬美元，預計2004年會達到7790萬美元，2005年將達到8530萬美元。主要的汽車電子系統(tǒng)包括GPS導航系統(tǒng)、引擎控制單元和數(shù)字立體聲音頻系統(tǒng)。
可編程邏輯器件的優(yōu)點
由于PLD可重編程的靈活特點，因此特別適合各種變化。通過對PLD進行重新編程，可以快速實現(xiàn)新版標準，甚至在現(xiàn)場部署后仍可進行。重新編程工作在現(xiàn)有系統(tǒng)中即可完成，不必對PLD進行物理拆卸。這一過程被稱為在系統(tǒng)可編程能力(ISP)，通過標準編程協(xié)議(如IEEE1149.1 JTAG)就可以完成。設(shè)計人員可以象調(diào)整引擎那樣對車內(nèi)電子進行升級。實際上，未來汽車電子升級可能會變得象定期的程序維護一樣平常。
當然，汽車型號眾多，從經(jīng)濟型到標準型，還有豪華型。因此，根據(jù)汽車的類型，車內(nèi)電子設(shè)備也有不同。而且，認識到PLD的可重編程能力和靈活性優(yōu)點，汽車設(shè)計師可以在同樣的平臺上提供從標準到豪華的不同特性組合。這也可以解釋為什么通常不考慮使用專用集成電路(ASIC)，盡管ASIC在大批量時具有成本更低的優(yōu)勢。實際上，高昂的NRE成本以及ASIC橋接的不靈活性使得ASIC被從可行的解決方案中排除出去。
橋接功能
微處理器或微控制器是汽車電子系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)PLD器件是實現(xiàn)不同汽車總線標準與微處理器或微控制器接口橋接的極好選擇。下面兩個例子能夠以低成本靈活地實現(xiàn)兩種流行的汽車總線協(xié)議(LIN和MOST)與微處理器或微控制器接口之間的功能橋接。這些應用成功的關(guān)鍵是FPGA的靈活架構(gòu)和可重編程能力使得可容易地實現(xiàn)與多種微處理器或微控制器的接口，從而為設(shè)計人員提供最大的靈活性。要實現(xiàn)新的要求，或者對現(xiàn)有設(shè)計進行修改，不需要更改元器件，只需要簡單地對FPGA進行重新編程就可以了。
現(xiàn)在已經(jīng)有針對汽車總線標準(如LIN和CAN)的知識產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核。LIN是一種低成本單線(12V總線)串行通信協(xié)議，基于通用串行通信接口(UART)數(shù)據(jù)格式和旨在滿足汽車中分布式電子系統(tǒng)應用要求的單主控設(shè)備/多從屬設(shè)備概念。這一低成本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)旨在連接通信要求相對較低的分布式結(jié)點，而不是要代替CAN等高性能網(wǎng)絡(luò)。LIN主要針對使用智能傳感器、調(diào)節(jié)器或照明設(shè)備的汽車應用。這些單元可容易地連接到汽車網(wǎng)絡(luò)供所有其它類型的診斷和服務(wù)訪問使用。 [!--empirenews.page--]
LIN總線的一個特點是其同步機制，允許從屬結(jié)點(slave node)不需要額外的石英或陶瓷振蕩器就可以恢復時鐘。線路驅(qū)動器和接收器的技術(shù)規(guī)格符合ISO 9141單線標準，并且進行了額外的增強。最大的傳輸速率為20 kbit/s，這一限制源于EMI考慮以及時鐘同步機制。
一個LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主控結(jié)點和一個或多個從屬結(jié)點。所有結(jié)點都執(zhí)行包括發(fā)送和接收任務(wù)在內(nèi)的從屬通信任務(wù)，而主結(jié)點則還包括主控發(fā)送任務(wù)?；顒覮IN網(wǎng)絡(luò)中的通信總是由主控任務(wù)發(fā)起——主控任務(wù)發(fā)送一個包括同步中斷、同步字節(jié)和消息標識符組成的消息頭。
同一時間始終只有一個從屬任務(wù)接收并過濾標識符，該從屬任務(wù)負責發(fā)送消息響應。響應包括兩個、四個或八個數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個校驗字節(jié)。消息頭及響應部分構(gòu)成一個消息幀。
時鐘同步、UART通信的簡單性以及使用單線介質(zhì)是LIN高成本效率的主要原因。實現(xiàn)低成本、低速度的LIN需要的FPGA資源不多——大約只需要500個LUT和42個I/O。因此，低成本FPGA器件非常適于實現(xiàn)LIN標準，同時還提供了與微處理器或微控制器接口的靈活性。
MOST技術(shù)提供了一種連接簡單多媒體設(shè)備的低資源消耗、低成本網(wǎng)絡(luò)接口。MOST既可支持低智能設(shè)備，也可支持需要高級控制和多媒體功能的基于DSP的復雜設(shè)備。其設(shè)計原理使總體汽車通信系統(tǒng)的靈活性達到最大。在同層次上來看，MOST是一種基于同步數(shù)據(jù)通信的通用高性能低成本的多媒體光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對于汽車中的模擬音頻網(wǎng)關(guān)、模擬視頻接口、數(shù)字視頻顯示接口、導航和通信等多媒體應用，MOST非常理想。MOST標準有多個不同的層，如物理層(PHY)、數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層、傳輸層、會話層以及其它層，可以支持從數(shù)Kbps至24.8 Mbps的廣泛應用。
MOST是一種同步網(wǎng)絡(luò)。時鐘由一個定時主控器提供，所有其它設(shè)備操作都同步到這一時鐘。這一技術(shù)避免了采用緩沖和采樣速率轉(zhuǎn)換，因此可以連接非常簡單和便宜的設(shè)備。其實質(zhì)類似于交換式電話網(wǎng)絡(luò)。MOST技術(shù)定義了數(shù)據(jù)通道和控制通道。控制通道用來確定發(fā)送方和接收方使用的是哪個數(shù)據(jù)通道。連接一旦建立，數(shù)據(jù)可連續(xù)傳輸，不需要處理額外的數(shù)據(jù)包信息。對于流式數(shù)據(jù)傳輸來說，這是一種最優(yōu)的機制。
MOST網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點包括：易用、實現(xiàn)成本低、適用范圍廣、可提供同步和異步帶寬、靈活性大并且符合消費和個人計算機行業(yè)的要求。
降低成本
利用FPGA內(nèi)在的靈活性和可重編程能力，可以在單個平臺上實現(xiàn)不同汽車總線標準與微處理器或微控制器接口的橋接，從而大大簡化了橋接工作，并使汽車生產(chǎn)商能夠利用同一FPGA器件滿足不同級別汽車(從經(jīng)濟型到豪華型)對電子單元的不同要求。這樣即簡化了庫存管理又可提供批量價格優(yōu)惠，從而進一步降低開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和物流方面的成本。
FPGA所帶來的成本節(jié)約優(yōu)勢還一直延續(xù)到汽車的整個生命周期過程中。通過重新編程或重新配置，F(xiàn)PGA不需要支付額外的工程成本(采用ASIC時這是不可避免的)即可滿足升級要求。進一步，一些FPGA制造商還提供封裝兼容情況下的密度升級能力，即在原來的PCB設(shè)計不變的情況下提供更多的邏輯容量，從而在系統(tǒng)要求劇烈變化時延長電子平臺的壽命。
這些能力和優(yōu)點不僅使FPGA器件對于設(shè)計人員更具吸引力，同時還允許他們更為自由地選擇微處理器或微控制器。在設(shè)計中使用FPGA，設(shè)計人員就可根據(jù)需要選擇成本優(yōu)化的微處理器或微控制器，或者選擇功能更豐富的產(chǎn)品。這一靈活性可直接降低汽車電子組件的總體解決方案成本。
LatticeECP和LatticeEC FPGA器件還提供了一項獨特的成本節(jié)約特性，支持標準SPI存儲器配置。傳統(tǒng)上，基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供應商提供的價格較高的專用非易失性boot PROM。這些PROM在整個FPGA解決方案成本中占了35%以上。與此對比，低成本業(yè)界標準的SPI存儲器對于大批量應用非常理想。SPI存儲器配置時間快、成本低并且占用的PCB空間更小。
設(shè)計人員面臨的一個嚴峻設(shè)計挑戰(zhàn)是必須保證汽車壽命與車內(nèi)電子設(shè)備的壽命相匹配，這樣才能避免由于技術(shù)過時和設(shè)備淘汰而增加額外的成本。從8軌唱片播放機到音頻磁帶播放機，再到CD播放機和MP3播放機，如此快速的發(fā)展提醒汽車設(shè)計師車內(nèi)電子設(shè)備的生命周期相對短得多。不斷出現(xiàn)的新興汽車標準以及標準本身的不斷變化進一步導致選擇標準時必須考慮到其壽命、靈活性以及被接受的廣泛程度。目前使用的一些標準包括本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)以及藍牙等。
汽車電子部件設(shè)計人員面臨的其它挑戰(zhàn)還包括滿足低成本目標、擴展溫度范圍以及小型化要求?？删幊踢壿嬈骷?PLD)在過去10多年時間里獲得了長足的發(fā)展，提供了更高的性能、更低的功耗、工作溫度范圍更寬、外形更小且成本更低，因此PLD對于汽車設(shè)計人員越來越具吸引力。
根據(jù)業(yè)界市場研究公司Gartner Dataquest(2003年11月)的報告，全球汽車電子應用市場2003年約為7320萬美元，預計2004年會達到7790萬美元，2005年將達到8530萬美元。主要的汽車電子系統(tǒng)包括GPS導航系統(tǒng)、引擎控制單元和數(shù)字立體聲音頻系統(tǒng)。
可編程邏輯器件的優(yōu)點
由于PLD可重編程的靈活特點，因此特別適合各種變化。通過對PLD進行重新編程，可以快速實現(xiàn)新版標準，甚至在現(xiàn)場部署后仍可進行。重新編程工作在現(xiàn)有系統(tǒng)中即可完成，不必對PLD進行物理拆卸。這一過程被稱為在系統(tǒng)可編程能力(ISP)，通過標準編程協(xié)議(如IEEE1149.1 JTAG)就可以完成。設(shè)計人員可以象調(diào)整引擎那樣對車內(nèi)電子進行升級。實際上，未來汽車電子升級可能會變得象定期的程序維護一樣平常。
當然，汽車型號眾多，從經(jīng)濟型到標準型，還有豪華型。因此，根據(jù)汽車的類型，車內(nèi)電子設(shè)備也有不同。而且，認識到PLD的可重編程能力和靈活性優(yōu)點，汽車設(shè)計師可以在同樣的平臺上提供從標準到豪華的不同特性組合。這也可以解釋為什么通常不考慮使用專用集成電路(ASIC)，盡管ASIC在大批量時具有成本更低的優(yōu)勢。實際上，高昂的NRE成本以及ASIC橋接的不靈活性使得ASIC被從可行的解決方案中排除出去。
橋接功能
微處理器或微控制器是汽車電子系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)PLD器件是實現(xiàn)不同汽車總線標準與微處理器或微控制器接口橋接的極好選擇。下面兩個例子能夠以低成本靈活地實現(xiàn)兩種流行的汽車總線協(xié)議(LIN和MOST)與微處理器或微控制器接口之間的功能橋接。這些應用成功的關(guān)鍵是FPGA的靈活架構(gòu)和可重編程能力使得可容易地實現(xiàn)與多種微處理器或微控制器的接口，從而為設(shè)計人員提供最大的靈活性。要實現(xiàn)新的要求，或者對現(xiàn)有設(shè)計進行修改，不需要更改元器件，只需要簡單地對FPGA進行重新編程就可以了。
現(xiàn)在已經(jīng)有針對汽車總線標準(如LIN和CAN)的知識產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核。LIN是一種低成本單線(12V總線)串行通信協(xié)議，基于通用串行通信接口(UART)數(shù)據(jù)格式和旨在滿足汽車中分布式電子系統(tǒng)應用要求的單主控設(shè)備/多從屬設(shè)備概念。這一低成本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)旨在連接通信要求相對較低的分布式結(jié)點，而不是要代替CAN等高性能網(wǎng)絡(luò)。LIN主要針對使用智能傳感器、調(diào)節(jié)器或照明設(shè)備的汽車應用。這些單元可容易地連接到汽車網(wǎng)絡(luò)供所有其它類型的診斷和服務(wù)訪問使用。 [!--empirenews.page--]
LIN總線的一個特點是其同步機制，允許從屬結(jié)點(slave node)不需要額外的石英或陶瓷振蕩器就可以恢復時鐘。線路驅(qū)動器和接收器的技術(shù)規(guī)格符合ISO 9141單線標準，并且進行了額外的增強。最大的傳輸速率為20 kbit/s，這一限制源于EMI考慮以及時鐘同步機制。
一個LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主控結(jié)點和一個或多個從屬結(jié)點。所有結(jié)點都執(zhí)行包括發(fā)送和接收任務(wù)在內(nèi)的從屬通信任務(wù)，而主結(jié)點則還包括主控發(fā)送任務(wù)?；顒覮IN網(wǎng)絡(luò)中的通信總是由主控任務(wù)發(fā)起——主控任務(wù)發(fā)送一個包括同步中斷、同步字節(jié)和消息標識符組成的消息頭。
同一時間始終只有一個從屬任務(wù)接收并過濾標識符，該從屬任務(wù)負責發(fā)送消息響應。響應包括兩個、四個或八個數(shù)據(jù)字節(jié)以及一個校驗字節(jié)。消息頭及響應部分構(gòu)成一個消息幀。
時鐘同步、UART通信的簡單性以及使用單線介質(zhì)是LIN高成本效率的主要原因。實現(xiàn)低成本、低速度的LIN需要的FPGA資源不多——大約只需要500個LUT和42個I/O。因此，低成本FPGA器件非常適于實現(xiàn)LIN標準，同時還提供了與微處理器或微控制器接口的靈活性。
MOST技術(shù)提供了一種連接簡單多媒體設(shè)備的低資源消耗、低成本網(wǎng)絡(luò)接口。MOST既可支持低智能設(shè)備，也可支持需要高級控制和多媒體功能的基于DSP的復雜設(shè)備。其設(shè)計原理使總體汽車通信系統(tǒng)的靈活性達到最大。在同層次上來看，MOST是一種基于同步數(shù)據(jù)通信的通用高性能低成本的多媒體光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對于汽車中的模擬音頻網(wǎng)關(guān)、模擬視頻接口、數(shù)字視頻顯示接口、導航和通信等多媒體應用，MOST非常理想。MOST標準有多個不同的層，如物理層(PHY)、數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路層、傳輸層、會話層以及其它層，可以支持從數(shù)Kbps至24.8 Mbps的廣泛應用。
MOST是一種同步網(wǎng)絡(luò)。時鐘由一個定時主控器提供，所有其它設(shè)備操作都同步到這一時鐘。這一技術(shù)避免了采用緩沖和采樣速率轉(zhuǎn)換，因此可以連接非常簡單和便宜的設(shè)備。其實質(zhì)類似于交換式電話網(wǎng)絡(luò)。MOST技術(shù)定義了數(shù)據(jù)通道和控制通道。控制通道用來確定發(fā)送方和接收方使用的是哪個數(shù)據(jù)通道。連接一旦建立，數(shù)據(jù)可連續(xù)傳輸，不需要處理額外的數(shù)據(jù)包信息。對于流式數(shù)據(jù)傳輸來說，這是一種最優(yōu)的機制。
MOST網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點包括：易用、實現(xiàn)成本低、適用范圍廣、可提供同步和異步帶寬、靈活性大并且符合消費和個人計算機行業(yè)的要求。
降低成本
利用FPGA內(nèi)在的靈活性和可重編程能力，可以在單個平臺上實現(xiàn)不同汽車總線標準與微處理器或微控制器接口的橋接，從而大大簡化了橋接工作，并使汽車生產(chǎn)商能夠利用同一FPGA器件滿足不同級別汽車(從經(jīng)濟型到豪華型)對電子單元的不同要求。這樣即簡化了庫存管理又可提供批量價格優(yōu)惠，從而進一步降低開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和物流方面的成本。
FPGA所帶來的成本節(jié)約優(yōu)勢還一直延續(xù)到汽車的整個生命周期過程中。通過重新編程或重新配置，F(xiàn)PGA不需要支付額外的工程成本(采用ASIC時這是不可避免的)即可滿足升級要求。進一步，一些FPGA制造商還提供封裝兼容情況下的密度升級能力，即在原來的PCB設(shè)計不變的情況下提供更多的邏輯容量，從而在系統(tǒng)要求劇烈變化時延長電子平臺的壽命。
這些能力和優(yōu)點不僅使FPGA器件對于設(shè)計人員更具吸引力，同時還允許他們更為自由地選擇微處理器或微控制器。在設(shè)計中使用FPGA，設(shè)計人員就可根據(jù)需要選擇成本優(yōu)化的微處理器或微控制器，或者選擇功能更豐富的產(chǎn)品。這一靈活性可直接降低汽車電子組件的總體解決方案成本。
LatticeECP和LatticeEC FPGA器件還提供了一項獨特的成本節(jié)約特性，支持標準SPI存儲器配置。傳統(tǒng)上，基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供應商提供的價格較高的專用非易失性boot PROM。這些PROM在整個FPGA解決方案成本中占了35%以上。與此對比，低成本業(yè)界標準的SPI存儲器對于大批量應用非常理想。SPI存儲器配置時間快、成本低并且占用的PCB空間更小。
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