面向未来汽车应用的通信控制器

    今天，汽车行业的创新几乎完全是由半导体技术驱动的，在大多数情况下，这也是实现新颖功能特性的唯一途径。时下，一辆装备精良的高档汽车一般都有50余个电子控制单元，顶级车型甚至还要多40％。每个控制单元至少有一个微控制器(Mcu)和几个模拟元器件。因此，汽车行业已成为半导体行业的一个重要市场。本文将结合飞思卡尔推出的一款面向汽车的FlexRay设备MFR4200介绍FlexRay协议，以及采用该协议的通信控制器在汽车行业的应用，并展望未来的市场趋势。

1 汽车创新需求与FlexRay协议
    市场研究公司strategy Analytics汽车业务部门的一项调查表明，为了提供安全、可靠和舒适的车内系统，汽车制造商会使用更多的嵌入式控制器；同时，时间触发的通信系统也变得非常重要。然而，目前采用本地互连网(LIN)和控制器局域网(CAN)将车内各个控制单元互连起来，汽车制造商需要更高的通信带宽及确定性，并且要具有强大的容错数据传输功能，以满足市场需求。F1exRay通信技术正是在这种情况下应运而生的，它不仅可满足汽车应用的上述要求，而且可以实现容错式分布式系统。业内专家预计，在不久的将来，主要汽车制造商都将采用FleRay协议。

    作为制定FlexRay协议的联盟创始者之一的飞思卡尔半导体，自2000年以来，一直致力于加快F1exRay的应用。F1exRay是一个通信协议，用于管理21世纪汽车中越来越多的数字元件。过去两年中，博世、通用汽车、福特、大众、奥迪及西门子VDO等汽车制造商也加入了该联盟，共同推广FlexRay协议，使之成为汽车工业高级应用的实际标准。目前，已有80多家汽车、半导体和软件行业的公司支持F1exRay标准。飞思卡尔在8月己推出一款面向汽车的FlexRay设备MFR4200，并已经批量生产。第一款配备基于FlexRay协议的网络功能汽车有望于2006年进入市场。

    FlexRay协议的主要特性包括时间和事件触发的通信方法。它支持容错系统，具有高度差错发现和诊断能力，支持成本经济的不同网络布局和安全增强型系统划分。其专门用于汽车的电气物理层具有先进的关断和唤醒机制，有助于提供灵活的可扩展性和充足的可升级性。

    在诸如线控制动和线控驾驶等应用的高级线控(x-by-wire)系统方面，FlexRay协议将大有用武之地。高级线控可消除对液压和机械系统的需要，利用先进的电子系统使这些系统与驾驶者进行沟通，可以实现低成本的设计，并易于维护。在汽车领域，FlexRay协议可能的应用包括：主动和被动安全系统、防碰撞系统、动力传动系控制系统和辅助驾驶系统。FlexRay具有10Mbps的总数据传输速率，可提供比目前用于高级汽车控制应用的CAN协议高约20倍的网络带宽。此外，FlexRay还增加了高速协议，可满足最严格的系统要求，使主要的车内网络标准(CAN、LlN及MOST)更加完善。
 
    总之，FlexRay将实现动力传动系统和车身系统等下一代高带宽控制应用，最终实现用于实时底盘管理、制动和转向系统的线控解决方案。

2 MFR4200具备的优势
    FlexRay通信控制器是一种以FlexRay协议为标准、具有全面协同工作能力的通信器件，可为复杂的网络提供速度、灵活性和可升级性能，有助于汽车制造商降低开发和生产成本，集中和简化先进的高速电子控制系统的开发，提高车辆的整体稳定性和安全性。

    飞思卡尔半导体推出的MFR4200是FlexRay通信控制器，主要面向汽车应用的底盘控制、车身电子和动力传输应用。它可以实现高级线控汽车应用，为汽车工业的下一代控制应用拓展了空间。线控汽车子系统包括制动、方向盘控制、悬架／反应控制和节流阀控制，它将逐步取代大部分液压管路、有线网络、传感器和发动机等机械线缆。MFR4200具有很高的通信带宽及准确性，能提供比现有的CAN解决方案高出10倍的吞吐量，以及强大的容错数据传输功能，提供高级线控技术所需的容错性和准确的时间性能。

    MFR4200可提供FlexRay联盟定义的先进网络特性的系统设计。该器件容易与各种微控制器，如飞思卡尔的S12X、PowerPCMPC5xx和MPC55xx，以及数字信号控制器(DSC)产品线进行无缝集成，从而实现低成本的FlexRay控制单元网络。只要简单地添加FlexRay控制器，就可将现有的和新的控制单元集成进FlexRay网络。 

    MFR4200是实现具有高带宽、准确性、高度可靠和共享全球时基的强大的网络解决方案。归纳起来，它具有以下丰富特性：
    ◆共有两条通道，每条通道是独立的，可提供双倍带宽，每条通道的比特率高达10 Mbps
    ◆59个消息缓冲区，每个均拥有32 B数据的有效载荷。
    ◆FlexRay结构具有高达254 B数据的有效载荷。用于填补的FlexRay有效载荷数据超过32 B。 
    ◆一个可配置的接收先进先出(FIFO)。
    ◆每个消息缓存区可配置为一个接收缓冲区、传输缓冲区(单或双)，或者作为接收FIFO的一部分。
    ◆可供每个通道使用的两个接收屏蔽消息缓冲区。
    ◆消息缓冲区可以利用状态或事件语义进行配置。
    ◆灵活的差错信令机制可提供8个可配置计数器、插槽状态指示器和中断。
    ◆用于时钟同步化的内部测量时间差值，可通过控制器主机接口(CHI)简便地读出。
    ◆多达4个插槽状态，可独立观察通信控制器的接收缓冲区。
    ◆利用3个主动消息缓冲区(主动传输缓冲区、主动接收缓冲区和主动接收FIFO缓冲区)，可以CHI方法使主机访问所有的消息缓冲区。
    ◆基于结构ID、周期计数器和通道的可配置消息过滤，用于传输和接收缓冲区。
    ◆基于结构ID、通道和消息ID的可配置消息过滤，用于接收FIFO。
    ◆通信周期持续时间可以用微时标进行配置。
    图1是MF、R4200器件的方框图。

    MFR4200器件以一种唯一的用户模式——正常模式工作，没有低功耗模式。在正常模式下，可以选择不同的主机接口，每个主机接口都拥有自己的相关外部引脚和接口配置。该器件采用64引脚的小型四方扁平封装(LQFP)。

3 迎接FlexRay应用时代
    汽车电子行业最大的热点就是网络化。CAN网络的上游是传输速率更高的FlexRay协议，下游是LIN协议。FlexRay不仅速率高，而且更加安全可靠，其接口和收发器方面要求也较高，对精度和复杂性的要求更高。

    目前，飞思卡尔半导体正在与其他厂商合作，努力为FlexRay开发商提供包括芯片产品和符合FlexRay协议规范2.1版的网络仿真工具在内的第一套完整的解决方案。与CAN类似，符合2.1版标准的硬件也将嵌入到现有的汽车微控制器系列产品中，从而进一步降低成本。相应的产品已在开发之中，不久就会面市。
 
    我们相信，迈向汽车高带宽先进控制应用开发的F1exRay时代已经为期不远了。