FlexRay实现日臻完美的驾车体验

2006年，FlexRay总线开始投入应用，宝马率先在其全新的X5系豪华SUV上集成了FlexRay，主要用于控制X5系的自适应驾驶系统，可根据路况变化快速反应并进行相应调整。 在X5系的底盘和悬架控制系统中使用FlexRay的目的，是要向所有驾驶者推介新一代的汽车控制总线，这也将有助于进一步收集系统在实际运行方面的信息。
2007年，全球主要的汽车制造商都将加快在高端汽车上部署FlexRay产品的步伐。配备FlexRay的下一批车型将于2008年~2010年陆续面市，其中总线的作用会越来越重要。与X5系的自适应驾驶操控系统一样，FlexRay的部署将先从各独立系统的控制着手，用以取代CAN总线。同时FlexRay可开展CAN无法支持的一些新应用。在此期间，FlexRay将与CAN并存。LIN总线非常适合实现车窗控制和其它简单功能的本地互连网络总线，在短期内也不会弃用。 
由于汽车变得更加复杂，添加的系统也越来越多，因此必然需要比CAN和LIN更加复杂精密的控制方法。采用FlexRay很快将成为确保安全和性能必不可少的一环，最终成为所有安全及驾驶功能的首要通信渠道。这种转变能够降低制造成本，并大幅提高汽车可靠性。
从专业角度讲，未来汽车需要FlexRay实现的10Mbps更高带宽(CAN仅为1Mbps)，以及确保对关键任务作出极快响应的确定性协议。 FlexRay被视为一项可实现X-by-wire(线控驾驶、线控刹车等)的技术，能够将汽车性能显著提高到前所未有的水平。不过，其它发展趋势也在推动FlexRay的普及，包括制造效率、安全规范和便捷功能的激增。 
FlexRay 的10Mbps带宽、内置容错和确定性协议正是针对上述因素而设计的。汽车技术的每项进步都是不断进化的，FlexRay适合多种网络拓扑结构：线性节点、无源星形、有源星形或者是上述组合。由于FlexRay具有可扩展性，因此，未来几十年都可迎接新的工程挑战。

分布式控制系统
从发动机管理到汽车音响，汽车电子技术对驾驶体验的意义越来越重大。如今，所有的主要系统，包括传动系统、车身、底盘、驾驶辅助系统和主、被动安全系统，都由电子控制。
早在90年代初，将这些系统网络化，使其通过网络互相通信的技术，已经显现出明显优势。CAN就是在这一时期出现的。
之前，每个ECU(电子控制单元)都是独立的功能单元。随着电子控制技术能力的提高，ECU的数量也在增加，发展趋势也就由网络化ECU开始转向分布式系统(功能分布于多个ECU中)。
由于系统日趋复杂，人们认识到车载网络不仅要提供更快的数据传输，还要提供具有确定性、容错性的通信连接。这是高级分布式控制系统的唯一出路。因此，2000 年，宝马、戴姆勒·克莱斯勒、恩智浦半导体(当时为飞利浦半导体)和摩托罗拉半导体部门(现为飞思卡尔半导体)共同创建了FlexRay联盟。过去6年来，已有120多家公司加入该联盟。 

FlexRay芯片架构
芯片系统采用最新 FlexRay 2.1协议的汽车，要求其处理能力可达到32位MCU在80MHz运行时的水平。也就是说，必须拥有早期英特尔奔腾微处理器的处理能力。此外，该芯片需要多层总线，这是早期奔腾处理器所没有的。
同时，FlexRay在未来一段时间仍将与其它控制总线并存。因此在网关应用中使用该芯片时，必须集成3种通信控制器： FlexRay 2.1通信控制器、至少5~6个CAN 2控制器和多个LIN 2主控制器。
FlexRay并不是一项简单的协议。要在芯片上成功实施FlexRay协议，需对其控制的系统和使用这些系统的应用及环境有深入的了解，因此芯片设计必须相当复杂、精密。
设计FlexRay控制器可采用不止一种架构，而且实现每种功能也有更多选择。架构和设计的排列组合数目相当庞大，但只有一种可以最低成本获得最佳性能。在最高层架构的设计中有两种选择，分别是以通信控制器为中心的芯片和以微处理器为中心的芯片，如图1所示。

  图1完整的FlexRay2.1控制器芯片的两种架构


如果采用以控制器为中心的架构，主要的考虑就是在MCU裸片上嵌入控制器，也就是说，直接集成IP核。而以MCU为中心的架构设计则需要更长时间、更多精力和更丰富的创造力，需要将控制器功能以高精度的方式集成到MCU中，使其与MCU紧紧连在一起。 以MCU为中心的架构设计更加困难，但效果也更好。
对以MCU为中心架构的简单描述如图2所示。影响芯片性能的关键是控制器与主机之间的接口。高精度集成使得芯片设计师可以从头开始设计，而不是使用FlexRay控制器独立芯片提供的接口。利用MCU固有的功能(例如ARM 9的多层系统总线)设计自定义接口，可以提升总体性能和系统的灵活性。该架构还可保证出色的可扩展性。
协议引擎是通信功能的另一关键因素。FlexRay并不是一项简单的协议，它会应环境要求不时发生变化。因此，协议引擎必须高效、灵活并符合标准。只有熟知协议及其对各种实际应用的反应才能实现这些特性。同样，要开发出有意义的FlexRay元件并使整个系统运转正常，必须了解整个协议及其与系统其它部分相互作用的情况。
为保证完全符合FlexRay标准，最好将协议引擎与FlexRay标准建立在相同的模型上，该模型称为参考模型。FlexRay联盟的创始成员飞思卡尔半导体和恩智浦半导体共享各自的专业技术，共同创建了一个协议引擎，大多数专家都认为这是性能效率最高的引擎。该引擎采用了与众不同的控制器-主机接口概念，使其更加独树一帜。

提高系统效率
FlexRay芯片系统市场无疑将会快速增长，并最终形成极大的规模。因此，许多半导体公司都纷纷投身FlexRay行列。
为确保其安全、耐用和互操作性，FlexRay联盟与富有声望的一致性测试机构T哣 Rheinland集团一起，进行了一致性测试。
在早期FlexRay的控制器中，恩智浦半导体的SJA2510具有几项与众不同的特性。SJA2510基于ARM7和ARM9内核，采用以MCU为中心的架构，因此能够给设计师和终端用户带来上述所有益处。
尤其是SJA2510还可提供汽车工程师梦寐以求的循环多路复用技术。循环多路复用有诸多好处，其中之一是使设计工程师更加高效地使用带宽。这是因为循环中的时段可由多个数据流复用，而不会为很少使用的单个时段保留。该技术进一步提高了系统效率，尤其在更新数据间的时隙超过循环时间时，效果更为显著。

FlexRay收发器
如图2所示，收发器芯片同样是FlexRay的关键元件。收发器在物理层运行，负责发送和接收通过FlexRay总线在芯片间传送的电信号。
对于以前的汽车网络(如CAN)来说，收发器设计相对简单。FlexRay则不同，它对容限(总线上传输波形的时序和形状)要求很高。
FlexRay标准定义了3种网络拓扑结构：无源节点、无源星形和有源星形。上述每种拓扑结构对收发器的性能要求均不相同，因此，收发器必须能满足所有无源和有源架构的要求。由于设计团队在设计的早期很有可能使用无源架构，而后随着系统要求提高，专业知识的增长，他们会转而使用有源架构。收发器能够应对两种拓扑结构意味着如果拓扑结构变得更加复杂，也无需使用新元件。
恩智浦半导体的TJA1080是具有完整功能的FlexRay收发器，它提供的功能远超出FlexRay V2.1规定的标准和可选功能要求。其特别之处在于同时支持节点和星形结构，而且具有卓越的ESD保护和功耗管理性能。宝马X5系采用的FlexRay收发器就是TJA1080，且同时用于节点和星形结构中。

改变企业合作规则
随着汽车电子技术成为提升功能和性能的重要驱动力量，汽车制造商也逐渐向合作模式发展。在此模式中，他们更依赖于半导体公司为其设计能够在功能和性能上满足需求的芯片。
采用FlexRay将会加快这一趋势的发展。不过，与芯片公司的系统级专业技术相比，单纯的芯片设计能力的重要性将越来越低。FlexRay的复杂性使芯片公司无法通过在原有芯片上简单集成新的IP核来参与竞争，他们更需要从整体的角度更宏观地分析解决问题的方法。然而，要实现这一目标，需要对标准开发进行长期投资，需要制定严格的现实环境仿真计划，还需要拥有在上一代汽车电子技术领域的成功经验。
与符合这些标准的半导体公司结成合作伙伴，汽车制造商一定可以生产出更高性能、更安全、更可靠的汽车，全面提升广大终端用户的驾车体验。