使用FPGA实现低成本汽车多总线桥接

引言 汽车中的电子系统持续快速增长，因此对比一下汽车电子发展和消费类电子便携式产品的发展将会大有启发。如今的消费者希望在汽车中获得手持便携式电子设备所提供的方便与舒适性。汽车电子将不再局限于引擎管理系统或车身控制，而是扩展至新的领域，诸如信息娱乐、通信以及司机/乘客辅助系统等。 一个严峻的挑战是必须保证汽车寿命与车内电子设备寿命相匹配，这样才能避免由于技术过时和设备淘汰而增加额外的成本。从8轨唱片播放机到音频磁带播放机、CD播放机到MP3播放机，如此迅速的发展提醒汽车设计工程师，车内电子设备的生命周期相对较短。汽车标准的产生和变化进一步导致选择标准时必须考虑到其寿命、灵活性和被接受的广泛程度。目前使用的标准主要有LIN、CAN面向媒体的系统传输（MOST）以及蓝牙技术。 汽车电子部件设计人员面临的其它挑战包括满足低成本目标、扩展温度范围以及小型化要求。FPGA在过去的10多年里有着长足的发展，提供了更高的性能、更低的功耗、更宽的工作温度范围、更小的体积和更低的成本，因此FPGA对汽车设计工程师有着越来越大的吸引力。 根据业界分析公司Gartner Dataquest（2003年11月）的报告，全球汽车电子应用市场2003年约为7320万美元，2004年会达到7790万美元，2005年将达到8530万美元。主要的汽车电子系统包括GPS导航系统、引擎控制单元和数字立体声系统。 FPGA的优点 由于FPGA具有可重复编程的灵活特点，因此可以快速实现新标准，这在现场部署完成后仍可进行。而且无需对FPGA进行物理拆卸，通过标准编程协议（如IEEE1149.1 JTAG）就可以完成。从而设计人员可以像调整引擎那样对车内电子系统进行升级。 当然，汽车型号是多种多样的，从经济型、标准型到豪华型。因此，车内的电子设备也因车而异。而通过FPGA可重复编程和灵活性的优点，汽车设计工程师可以在同样的平台上提供从标准到豪华的不同特性组合。而对于ASIC，高昂的NRE和ASIC桥接的不灵活性使其从可行的解决方案中被排除出去。尽管ASIC有着较低制造成本的优势。 桥接功能 微处理器或微控制器是电子系统的核心。目前已有很多方案能够以低成本灵活地实现两种流行的汽车总线协议（LIN和MOST）与微处理器或微控制器接口之间的桥接。这些应用成功的关键是FPGA的灵活结构和可重复编程能力，使得可容易地与多种微处理器或微控制器桥接，从而为设计人员提供了最大的灵活性。要实现新的要求，或者对现有设计进行修改，不需要更改元器件，只要简单地对FPGA进行重新编程就可以了。 现在已经有了用于汽车总线标准的IP核，如LIN和CAN。LIN是一种低成本单线（12V总线）串行通信协议，基于通用串行通信接口（UART）数据格式和旨在满足汽车中分布式电子系统使用的单主控设备/多从属设备概念。这个低成本网络系统用于连接通信要求相对较低的分布式结点，主要针对使用智能传感器、调节器或照明的汽车应用。而不是取代诸如CAN等高性能网络。 同步机制是LIN的一个特点，该机制允许采用从属结点恢复时钟而无需石英或陶瓷振荡器。线路驱动器和接收器的技术规格符合ISO9141单线标准，并且进行了额外的增强。最大的传输速率是为20kbps。这一限制源于EMI考虑以及时钟同步机制。 一个LIN网络包括一个主控结点和一个或多个从属结点。所有结点都包括执行传输和接收任务的从属通信任务，而主结点还包括另外的主控传输任务。LIN网络的通信总是由主控任务所发起，首先发送一个包括同步中断、同步字节和消息识别组成的消息头。同一时刻只有一个从属任务接收并过滤标识符，发送消息响应。响应由两个、四个、或八个数据字节和一个校验字节所组成。消息头及响应部分共同构成一个消息帧。 时钟同步、UART通信的简单性以及单线介质是LIN成本较低的主要原因。而实现低成本、低速LIN需要适量的FPGA资源，大约需要500个LUT和42个I/O。 MOST技术提供了连接简单多媒体设备的低开销、低成本的网络接口，既可支持低智能设备，也能支持需要高级控制和多媒体功能的基于DSP的复杂设备。这特点使整个汽车通信系统的灵活性大大增强。从整体上来看，MOST是一种基于同步数据通信的高性能、低成本的多媒体光纤网络技术。非常适合于汽车中的多媒体应用，如模拟音频网关、模拟视频接口、数字视频显示接口、导航和通信等。MOST标准有不同的层，如物理层、数据收发链路层、传输层、会话层以及其它层。可以覆盖从数kbps到24.8Mbps的广泛应用。 同时，MOST还是一种同步网络。时钟由一个定时主控设备所提供，所有其它设备都同步到这一时钟。这一技术避免了采用缓冲和采样速率转换，因此可以连接非常简单和便宜的设备。该技术类似于交换式电话网络，数据通道和控制通道都分别进行了定义。控制通道用来确定发送方和接收方使用的是哪一个数据通道。连接一旦建立，数据可以连续传送，不需要处理额外的包信息。对于数据流传输来说，这是一种理想的机制。 MOST网络的主要优点包括：容易使用、低成本实现、宽范围的应用、同步和异步带宽、灵活性大且符合消费和个人计算机行业的要求。 节约成本 利用FPGA内在的灵活性和可重复编程特性，可以在单个平台上简化实现各种汽车总线标准与微处理器或微控制器接口的桥接。并使汽车制造商能够利用同一种FPGA满足不同级别汽车，从经济型到豪华型对电子系统的不同要求。这样就简化了库存管理和获取批量价格优惠，从而降低了研发、生产、服务和物流的成本。 利用FPGA所带来的成本节约优势延续到了汽车的整个生命周期过程中。通过重新编程和重新配置，FPGA不需要支付额外的工程成本就能完成产品的升级要求，而采样ASIC时这是不可避免的。此外，一些FPGA制造商还提供封装兼容情况下的密度升级能力，即在原来的PCB设计不变的情况下提供更大的逻辑容量，从而在系统要求变化较大时延长电子平台的寿命。 这些能力和优点不仅使FPGA器件对于设计人员更具吸引力，还允许他们自由地选择微处理器或微控制器。采用FPGA，设计人员就可根据需要选择成本优化的微处理器或微控制器，或者选择功能丰富的产品。这一灵活性能够直接降低汽车电子系统的总体解决方案成本。 LatticeECP 和 LatticeEC FPGA还提供了一种独特的成本节约特性，支持标准SPI存储器配置。传统上，基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供应商提供价格较高的专用非易失性导入PROM。这些PROM在整个FPGA解决方案成本中占了35%以上。与之对比，低成本业界标准的SPI存储器对于大批量应用非常理想。SPI存储器配置时间快、成本低而且占用的PCB空间更小。Lattice拥有ECP和EC器件，是首家提供SPI存储器配置支持的FPGA供应商。 结语 随着新的汽车标准不断出现，汽车设计人员的主要考虑是具有最大灵活性和适应性 的接口实现。LatticeECP 和 LatticeEC系列为接口实现提供了极佳的功能、性能和价值。利用非常有效的架构（大批量，130nm生产技术），这些低成本FPGA提供了DSP块、嵌入式RAM块的sysMEM、分布式存储器、sysCLOCK PLLs、DDR存储器接口、以及系统IO缓冲，以致于非常适合汽车应用。使用这些器件，汽车设计人员能够适应汽车标准的改变，在产品开发阶段容易采纳新的标准，而且与现有FPGA解决方案相比较，总成本将降低30%至50%。