车身网络与车身控制解决方案及未来发展

freescale.comAMPG车身电子系统工程团队汽车电子车身电子的未来发展223810141517目录1简介2网络3超级集成4功耗5功能安全6安防性7结论1.简介当今的驾驶员希望在其汽车中获得更高水平的舒适性、安全性、效率和消费电子功能。这些汽车领域的需求反应了社会的整体需求，其中“互联世界”和机对机(M2M)通信正在成为最热门的话题。在更加新型的汽车中，有多个摄像头(车道偏离警告系统和自动巡航控制等)和多个用于卫星导航、倒车摄像头和仪表盘等的薄膜晶体管(TFT)屏幕。随着计算性能和嵌入式存储器容量的提升，这些新特性驱动了对车载网络中高带宽的需求，也因此驱动了以太网连接的应用。除了这些高带宽连接以外，在汽车的控制应用中也出现了越来越多的传感器、促动器和电机。传感器测量气体(COx和NOx等)、各种温度、振动、车轮速度、扭矩、偏航和其他参数，以帮助提高效率和安全。促动器(包括继电器和电磁阀)和由MCU控制的电机、驱动泵、风扇、供暖通风和温度调节(HVAC)、电动车窗升降器和天窗等。由于以下两方面的原因，额外功能带来了功耗的增加：第一，由于硬件重量增加，燃油经济性降低，第二，实现额外功能需要更高的计算性能、嵌入式存储器容量和更高的带宽连接性，每一项都会增加功耗。虽然，随着低数据速率小型传感器和促动器的爆炸性增长，主计算资源向少量的中央域控制器集中，该增长也要求汽车采用许多新的电机控制单元(ECU)。在图1中，StrategyAnalytics的数据预测了各级别汽车ECU数量的增加。虽然平均来说，目前的汽车大约采用25个ECU，但一些高端型号已经采用超过100个ECU。这些发展趋势结合在一起，会导致一个规模更大的车载网络，使线束通常成为汽车中第二重的组件(位列引擎之后)，长度超过6公里的铜线，重量超过70公斤。除了对更高计算性能和网络性能的需求以外，人们对车载网络安全的要求也越来也高，以应对日益复杂的电子产品，以及它们实现的功能的关键特性。另外，随着汽车的双向无线通信变得越来越普遍，人们对汽车MCU的安防措施也产生了前所未有的需求，以防止未授权访问车载网络给车主带来危害，并保护它包含的知识产权。汽车电子车身电子的未来发展3车身电子的未来发展汽车电子freescale.com图1：所有级别汽车中ECU增加的数量0.0AverageECUsperCar10.020.030.040.050.060.0200720082009201020112012201320142015201620172018MiniSmallMediumLargeExecutiveLuxuryCoupe来源:StrategyAnalytics图2：根据应用域划分的车载网络2.网络当代汽车具有许多能提供诸多功能的ECU。这些功能可能分布在多个ECU上，其中大多数是连接至一个或多个系统总线的网络节点。这些ECU控制多种功能，例如照明、空调、座椅、引擎或变速箱。控制器区域网络(CAN)、局域互联网络(LIN)和FlexRay等与其连接的各种总线系统构成了汽车中的分布式网络。未来，车载网络架构将由高度集成的域控制器组成，它将通过速度更快的总线系统互联。从业界发展趋势中可以发现，以太网将成为域网络的“主干网”并取代CAN，但是也有一些FlexRay的示例。CAN、FlexRay和LIN次总线将为车载子域中的智能节点提供连接性，而这一高度互联的架构需要强大的域控制器支持。图2展示了如何根据相关域控制器，将车载网络划分为单独的应用域。这些域控制器需要大量的处理功率和实时性能，以及大量的通信外设。飞思卡尔QorivvaMPC5748G系列是高度灵活的MCU，适合作为一种先进的集中网关控制器和高端车身域控制器运行，或兼具两种功能。凭借大量的通信接口、高性能水平和低功耗，QorivvaMPC5748G成为这些运行应用的理想器件。MPC5748GMCU采用基于PowerArchitecture®技术的e200内核，面向汽车网关和高端、集中式车身控制器模块应用而开发。该器件包含两个160MHze200z4内核和一个80MHze200z2内核，提供了一种具有灵活功率性能的解决方案。MCU的主要特性包括6MB嵌入式非易失性闪存和768KB嵌入式SRAM，另外还支持革命性的新型低功耗模式。特性集包括一个e200z0硬件安全模块(HSM)，超过了HerstellerInitiativeSoftware(HIS)标准的安全硬件扩展(SHE)要求，以及多种通信、模拟和定时器模块选择。该器件是一款SafeAssure解决方案(参见第5节)，符合汽车功能安全标准(ISO26262)，至少具有汽车安全完整性等级(ASIL)-B级的特定安全功能。以太网主干网诊断端口动力总成网关CAN/FLEXRAY车身和舒适性网关CAN/LIN变速箱管理引擎管理电池监控交流发电机调节器车窗升降器HVAC和舒适性INT&EXT照明车门和座椅模块底盘网关CAN/LIN/FLEXRAY转向线控制动线控电动转向胎压监测信息娱乐网关以太网/MOST/CAN汽车音响机头单元抬头显示导航仪表盘4表1：由MPC5748GMCU支持的通信接口FlexCANCAN2.01MbpsCANFD8Mbps•••••LINFlex20kbps••100Mbps•FlexRay10Mbps••SDIO(全速)SDIO(高速)25MHz40MHz•USB480Mbps•••MediaLB®2048fs~98Mbps••SPI40MHz••*RMII=简化媒体独立接口**MII=媒体独立接口IndependentWatchddogperCoreIndependentOSTimerperCoreProcessID/CorePrivilegesLevels/CoreIndividualIsolatedRAMArraysMasterIDProtectionLockableMemoryProtectionRegionsAddressRangePrivilegesPeripheralMasterIDProtectionRegisterProtectionDedicatedFlashLineBuffersIndividualFlashBlockLockingCoresMemoriesPeripheralse200z4SWTSTMe200z4SWTSTMe200z2SRAM0NVMPortandBuffers0NVMPortandBuffers1NVMArrayNVMPortandBuffers2SRAM1SRAM2BusBridge0BusBridge1SWTSTMCrossbarsRegisterProtect1xINTC10xSPI18xLIN3xI2C2xADC4xI2C3xeMIOS8xCANSystemMemoryProtectionUnitSystemCommsHSMSDHCFlexRayUSBOTGUSBSPHENETMLBDMA3xComparator汽车电子车身电子的未来发展图3：MPC5748GMCU上实施的应用隔离和保护机制表1所示为MPC5748GMCU支持的通信接口等级，进一步证明了其适合作为域控制器，以及在高端车身控制器应用中的适用性。凭借其多核设计和相关的特性集，MPC5748GMCU特别适合支持单一架构中的多个应用。在不同内核及其相关资源之间的高度分离和隔离允许在应用级进行隔离。这意味着它可以专门指定一些MCU资源(例如内核、外设子集和存储器)用于一个应用，同时将具有外设和存储器子集的另一内核用于完全独立的另一应用。这些MCU特性在汽车级是非常重要的，它们打破了汽车特性与ECU之间的1:1对应关系。为了使汽车的选项经济高效并且可以在一个复杂的制造环境中管理，汽车的特性需要由通用硬件平台上的软件提供支持。该应用隔离的另一个优势是为软件集成商提供了保护，可核对来自许多第三方开发商的软件，确定其能够独立、自动运行。图3中的MPC5748G架构示意图显示了支持此类高度应用隔离的一些特性。为了在一个实际的现实应用中展示MPC5748GMCU的这些特性和功能，图4显示了建议的使用案例。在该示例中，器件控制两个独立的域：符合CAN2.0B规范邮箱支持FIFO支持符合主动和被动CAN_FD规范在一个节点上的低功耗虚拟网络过滤串行外设接口最多4个，用于SPI控制LED驱动器LIN协议版本1.3、2.0、2.1和2.21xMaster/Slave，17xMaster支持LIN支持(RMII*，MII**+IEEE1588)支持FlexRay2.1128MB.安全数字输入输出1个on-the-go1个主控制器ULPI接口3引脚和6引脚接口速度等级最高为2048Fs通信位速率描述以太网•一个网关域处理传统的汽车开放系统架构(AUTOSAR)汽车网关功能。拥有专用CPU和相关的存储器和外设资源。几乎独立地运行IP域，但可以通过共享存储器和中断消息架构安全地交换数据。•一个IP域连接至互联网，用于支持多种应用，例如在车载网络中分布场内下载。使用专用e200z4内核、专用系统RAM和一部分闪存阵列，运行其自己的操作系统(OS)，此系统具有其自己的OS计时器、看门狗和系统资源。汽车软件刷新汽车软件内容的刷新和重刷是高级汽车电子的一个新兴领域。过去，汽车软件刷新在严格控制的工厂条件下进行，并在汽车的例行维护期间实施可用更新，该概念正在扩展，而现在，用户可以在汽车行驶时非常方便地进行无线更新。如图5所示，汽车平均约有10MB的闪存，但是许多高端汽车的闪存比这一数字至少高10倍。5e200z4Core@160MHzCANFlexRayLINTimerHSMe200z2Core@[e-mail]DomainADCULPIAnalogAudiofor“E-Call”FunctionCTUSPIAutomotiveGatewayAutomotiveBodyControlDigitalAudioTelephonyforNormalTelephonyExt.USBPHY141210864202005MCUFlashperCar(MB)AverageFlashperMCU(KB)20062007200820092010201120122013201420157006005004003002001000MCUFlashperCar(MB)(leftaxis)AvgFlashperMCU(KB)(rightaxis)5XIncrease车身电子的未来发展汽车电子图4：MPC5748GMCU多域运行图5：汽车中的嵌入式闪存容量评估资料来源:StrategyAnalytics&飞思卡尔分析•安全新软件不能导致任何系统故障如果需要，能够回退至以前的软件版本•安全性更新不能被中断，未经批准的更新无法访问必须验证已下载软件的完整性•透明行驶中的更新必须最大程度减少对驾驶员使用汽车的干扰高级网络基于摄像头的停车系统、车载TV和驾驶员辅助等新应用需要更大的程序和数据存储。例如，最新的高端汽车系列之一具有超过1GB的嵌入式存储器，分布于100多个ECU上，而之前的型号只有不到100MB的存储器。因为每辆车都增加了ECU的数量和嵌入式存储器的容量，对网络带宽的需求也不断提高。以太网随着预计的数据量增加、嵌入式存储增加并向规模更大的域控制器架构迁移，需要一个新的高速接口实现互联互通。以太网是高速网络的一个显而易见的选择，因为它在非车载应用中广泛使用，并已经用于量产汽车。最初，以太网由一些OEM作为高性能数据接口引入汽车用于诊断和软件下载，以便减少生产和服务中心的编程时间。这种方法已经传播至其他OEM，并有望促成一项ISO/SAE标准，规定以太网可以用作车载诊断(OBD)接口的一部分，取代以前的标准中使用的CAN。另外，目前已经详述各方面的挑战