A2B如何為汽車應用SOTA帶來變革

作者 : Joe Triggs、Jagannath Rotti、Karthik Radhakrishna、Danny Ko,作者依序為ADI設計總監、工程經理、軟體應用工程師、系統架構師

無線軟體升級(SOTA)正迅速成為汽車OEM須開發和佈署的重要能力。更新模組、支援客戶、和透過附加特性帶來利潤的能力,使得掌握SOTA成為一個有吸引力的主張。

如果消費者要對其物品的軟體複雜度進行排名,那麼排在首位的是什麼?筆記型電腦?智慧型手機?遊戲機?事實可能讓人大吃一驚——停在車道上的車輛的軟體複雜度很可能要比上述任何裝置高出一個數量級。目前汽車平均擁有多達150個電子控制單元(ECU),執行著多達1億行程式碼。相較之下,F-35戰鬥機的程式碼不到2,500萬行,Android作業系統不到1,500萬行程式碼,Google瀏覽器不到1,000萬行程式碼。

隨著汽車應用中軟體的大量出現,需要一種管理和控制整個車輛中存在的無數軟體版本的方法。SOTA更新能為汽車製造商或OEM帶來很多好處,從修復輕微的車輛問題到因應自然災害等不一而足。2017年9月,特斯拉(Tesla)展示了SOTA更新最受廣泛認可的應用之一,以因應颶風艾爾瑪。當時,風暴席捲美國佛羅里達州,特斯拉透過發佈SOTA更新來回應客戶請求,解鎖車輛的額外續航里程以協助車主行駛到安全地方,擺脫即將到來的颶風。其他OEM如在運用車輛的SOTA能力方面存在差距,就會導致聲譽受損和消費者信心喪失。

車輛電氣化和汽車自動駕駛等新興大趨勢,造成車輛中的ECU數量和程式碼行數進一步增加,確保車輛每個領域都有穩健有效的SOTA能力的重要性隨之不斷提升。

自從1977年Oldsmobile Toronado首次使用微控制器(MCU)控制點火時序以來,ECU便一直是汽車版圖的一部分。軟體更新的早期實現方式要求從車輛中拆下ECU以重新編程,這是一個耗時費力的過程。從發動機艙卸下發動機ECU可能很簡單。但是,拆卸無線電音響主機可能需要拆除儀錶板、中控台和其他裝飾,工作量相當大。從車輛中拆下之後,早期ECU需要使用複雜的工具重新編程,例如針床編程器,這些工具既昂貴又複雜,而且偶爾還會不穩定。所有這些因素結合起來,使得早期ECU的軟體更新無法成為一個具有吸引力的選擇,而不如直接更換模組。

SOTA

SOTA是汽車產業軟體更新發展的一個轉捩點,它將早期ECU變成現今的高度網路化且彈性的汽車基礎設施。車內原位更新ECU的能力不僅具有吸引力,而且成為汽車OEM的越來越重要的能力。我們已經瞭解了OEM可以使用SOTA敏捷地響應客戶需求,提供潛在的救生功能。SOTA最明顯的使用場景之一是允許OEM在需要時解決車輛中的關鍵軟體問題,這是一種非常強大的能力,因為它能免去軟體相關的車輛召回,從而提高消費者的使用體驗,並降低OEM的召回成本。不需要車輛到店,以受控方式應用軟體更新的能力,可為OEM創造巨大價值。

 

圖1:車輛生命週期。

 

SOTA具有簡化車輛生命週期的許多其他要素的潛力,而不僅僅是精簡軟體召回管理流程。生產過程中可以使用SOTA來確保車輛韌體正確,然後才完成車輛並交付運輸。車輛的運輸時間從幾天(例如OEM國內市場)到數周(例如國外市場)不等,在車輛到達目的地市場時,需要進行軟體更新的可能性是相當大的。在交付前檢查(PDI)時、在接收港口或經銷商處高效更新車輛ECU的能力,可確保車輛交付到新車主手中時依預期運作。這對處於生命週期早期的車型特別有價值,因為車型早期可能會經歷頻繁的軟體更新。

SOTA還可能有進一步的機會,契機是OEM尋求為消費者提供臨時或永久解鎖車輛附加特性的能力。以資訊娛樂系統為例,OEM未來可以為客戶提供升級車輛中正在運作的軟體的能力,具體取決於客戶的需求。對於日常駕駛,要在通勤期間收聽廣播或撥打免持電話,標準音頻配置可能就足夠了。對於長途旅行或度假,OEM可以提供升級到高解析音訊或音訊處理演算法的選項,以最佳化車輛內的聲音分佈。SOTA可以用來便利支援這種升級,交易發生後幾分鐘內就能進行,這有可能為OEM帶來可觀的額外收入。

SOTA考慮因素

OEM考慮在車輛中實現SOTA之前,必須檢視幾個系統特徵,例如:需要多少頻寬,如何協調節點之間的傳輸,以及安全性是否有必要。

為了確定SOTA解決方案提供的頻寬,必須知道典型的軟體更新檔大小以及可用來在網路上傳輸軟體更新的時間。雖然很多軟體下載是以增量格式提供,其中只包含需要更改的軟體元件,但檔案大小仍可能在數十MB的範圍內。如果可用頻寬在KB範圍內,則下載軟體更新可能需要數十分鐘,而不是服務環境下更為實際的幾分鐘或幾秒鐘。

傳輸協調考慮包括確保透過網路可靠傳輸資訊涉及的協定方面:交握、錯誤檢測和誤差校正。交握是SOTA節點協商和確認透過鏈路傳輸資料的過程——例如,確保每個傳輸塊成功完成後才傳輸下一塊。錯誤檢測是SOTA節點監視鏈路上傳輸的資料以辨識傳輸中是否發生錯誤的過程。例如,在來源節點和目標節點中計算的循環冗餘核對(CRC)值常用於實現此類要求。誤差校正是SOTA節點回應錯誤狀況並在可能的情況下從中恢復的過程。有多種技術可實現誤差校正——從重新請求來源節點重新傳輸接收出錯的資料塊,到使用前向誤差校正(FEC)等方案來修復損壞的資料。

根據SOTA解決方案提供的頻寬和傳輸協調要求,可能需要在不同的網路上實現資料傳輸和傳輸協調。這通常不是問題,因為汽車ECU通常具有多個不同負載的通訊介面(A2B、CAN、LIN、CXPI、乙太網路、FlexRay等)。然而,如果可能的話,在同一鏈路上同時容納資料傳輸和傳輸協調顯然更可取。

汽車網路安全性漏洞的後果已經在多個場合被曝光,白帽駭客控制車輛網路後,透過執行雨刷、音響甚至制動等功能展示了相關風險。這些漏洞可能會對車輛乘客和其他道路使用者的安全造成災難性的影響,OEM必須採取措施確保對所有車載網路進行適當的身份驗證,以防止未經授權的節點或用戶獲得存取權限。

已經提到的許多成熟汽車網路都適用於SOTA架構,例如CAN或乙太網路。近年來,ADI的A2B已成為解決日益複雜的音訊需求的選擇。A2B相較於其他連接解決方案擁有明顯的音訊頻寬優勢,而且還提供資料傳輸能力,使得OEM有機會將SOTA能力整合到其音訊網路中,而無需額外的硬體。

A2B概述

A2B是一種高頻寬雙向數位匯流排,最初用於解決汽車應用中出現的音訊分配挑戰。現有的汽車音訊架構通常涉及音響主機、放大器、喇叭和麥克風之間的多個點對點類比連接。A2B解決了許多與點對點類比連接相關的挑戰,包括電纜重量、電纜成本、佈線難題,以及多個連接的可靠性問題。A2B有助於透過非遮罩雙絞線(UTP)電纜和連接器,在分散式多節點音訊系統中傳輸完全同步的音訊資料(I2S/TDM/PDM)和控制資料(I2C/SPI)。

 

 

A2B技術可提供50Mbps的匯流排頻寬,上下行支援最多32個音訊通道。A2B具有小於50μs的確定性延遲,這使其成為延遲敏感型應用的非常有吸引力的解決方案,例如主動降噪(ANC)、路噪降噪(RNC)、迴音消除和降噪(AEC-NR)、波束成型(BF)等。

A2B支援多種不同拓撲結構,例如點對點、菊鍊和分支,因而它適合廣泛的汽車應用——從具有音響主機和麥克風模組的入門級資訊娛樂系統,到更複雜的音訊系統,例如兼具ECU、多個麥克風、喇叭和加速度計的RNC。

A2B網路由一個主節點和最多16個子節點組成,節點之間的最大電纜長度為15m,主節點和最終子節點之間的最大電纜長度為80m (包括分支)。主節點包含一個連接到主機處理器的A2B收發器,它能將音訊、控制資料和I2C/SPI資料發送到A2B音訊匯流排上。子節點的複雜程度不一,複雜的如具有強大處理能力的音訊功放,簡單的如麥克風節點。子節點中的A2B收發器與各種周邊介面,例如麥克風、數位訊號處理器(DSP)、喇叭、感測器(如加速度計)或D類放大器。

主節點和子節點收發器元件支援多種增值功能,例如時分複用(TDM)和脈衝密度調變(PDM)麥克風輸入。A2B收發器的低成本衍生產品具有優化的特性組合,例如末端點子節點收發器(不支援TDM)和最佳化的主節點收發器(電纜長度更短、子節點更少)。

除了支援本地供電的A2B節點外,A2B還提供匯流排供電,以便為具有挑戰性的音訊系統架構(例如主動遠端調諧器)和創新的音訊特性(例如支援D類的頭枕喇叭)提供便利。最新一代A2B收發器(AD243x)能夠支援標準匯流排功率模式(最高2.7W)或高功率模式(最高50W)。

A2B從一開始就設計為汽車鏈路,具有業界領先的EMI/EMC性能,並將幾個特別設計考慮(例如可配置的輸出等級)整合到收發器中,以緩解汽車Tier 1供應商和OEM通常遇到的EMC挑戰。A2B針對汽車EMC標準進行了全面測試,例如CISPR 25 Class 5 (輻射)、ISO 11452-2/ISO 11452-4/ISO 11452-9、ISO 7637-3 (抗擾度)和ISO 10605 (ESD)。

A2B資料傳輸

除了支援音訊廣播之外,A2B還為透過匯流排傳輸其他形式資料的機制提供了便利。超影格(frame,亦稱為幀)是讓A2B能夠透過匯流排同時傳輸音訊和資料的基本結構之一,該結構由多個下行和上行同步資料時隙、同步控制和同步回應影格組成。同步資料時隙不僅承載音訊應用中的I2S和TDM資料,也可用來承載其他類型的資料以滿足SOTA應用的要求。

主節點發起一個超影格的傳輸,在同步控制影格之後加入同步(音訊)和非同步(I2C/SPI)資料。每個子節點可以使用或消費一些下行資料,並為其他下行節點增加資料。匯流排上的最後一個子節點發起超影格的上行部分,每個節點在同步回應影格之後增加額外的同步資料。每個節點都可以使用或消費上行資料。

 

圖2:超影格結構。

 

好幾代A2B收發器都支援的另一種資料傳輸機制是電子信箱。主節點和子節點可以使用mailbox透過網路發送I2C消息——從主節點到子節點或從子節點到主節點。mailbox通常用於在主節點的主機(例如音響主機)和子節點的處理器(例如音訊功放)之間建立交握。

主機處理器可以發起與子節點中的處理器的通訊,將所需資料透過A2B匯流排載入到子節點A2B收發器的mailbox暫存器中。子節點中的A2B收發器透過中斷接腳提醒子節點中的處理器存在I2C消息。子節點中的處理器可以通過I2C直接從A2B收發器讀取消息。子節點中的處理器可以發起與主節點中的主機的通訊,將需要傳輸的資料載入到子節點收發器中的mailbox I2C暫存器中。主節點中的A2B收發器透過中斷接腳提醒主機,子節點收發器中存在I2C消息。然後,主機可以選擇透過A2B匯流排讀取子節點收發器mailbox暫存器中的資料。

最新一代A2B收發器系列導入了第三種傳輸機制,可以在A2B超影格的同步時隙內遠距離傳輸SPI資料。A2B收發器SPI介面可用於多種不同的應用——以高達10MHz的SPI時脈速率來介面A2B收發器,實現對子節點收發器中的暫存器和狀態資訊的直接存取,與子節點中支援SPI的周邊通訊,甚至可以在沒有主節點參與的情況下支援子節點之間的SPI到SPI通訊。無SPI介面的前幾代A2B收發器能夠將具有SPI資料的超影格透傳到網路中的其他上下游節點。

A2B參考軟體

A2B對整個網路的軟體開銷要求極低,主機控制器可以遠端執行整個網路的完整初始化。為了支援網路配置以及在配置後與網路互動(例如事件/中斷驅動、暫存器輪詢),ADI提供了全面的ISO/IEC 15504 (ASPICE)認證套裝軟體。該軟體有多種版本,包括與Embedded C、Linux、Android和QNX相容的版本,以協助縮短客戶的上市時間,並確保與最佳化的收發器配置一致。

除了為支援A2B基本操作而提供的軟體外,還有可選套裝軟體用來協助客戶操作各種特性,例如透過A2B進行資料傳輸。套裝軟體可用來發揮上面已經討論過的A2B特性,如圖3所示。A2B Communication Channel軟體外掛程式利用A2Bmailbox在網路節點之間傳輸資訊,A2B Data Pipe軟體外掛程式利用A2B同步時隙在網路節點之間傳輸資訊,A2B Data Tunnel軟體外掛程式利用A2B SPI遠距離資料在網路節點之間傳輸資訊。

 

圖3:A2B用於資料傳輸的硬體和軟體能力的相關性。

 

A2B mailbox特性與Communication Channel軟體外掛程式相結合,可提供高達15kbps的資料吞吐速率。雖然對於診斷等應用很有用,但mailbox特性提供的吞吐速率不足以支援SOTA等頻寬密集型應用。

A2B同步時隙與Data Pipe軟體外掛程式相結合,可以實現超過1Mbps的資料吞吐速率。這就為SOTA應用提供了更具吸引力的通訊速度——例如,在20秒內傳輸20Mb的檔案。SPI遠距離資料與A2B Data Tunnel軟體外掛程式相結合,可以實現超過16Mbps的資料吞吐速率。這是A2B匯流排上的最快資料通訊速度——例如,在不到7秒的時間內傳輸100Mb的檔案。

A2B工具

ADI開發的演算法與鏈路設計工具SigmaStudio也支援A2B。SigmaStudio支援A2B設計導入流程的各個方面——透過拖放A2B節點和周邊元件進行網路設計、節點配置、誤碼率分析、頻寬計算和功率計算。SigmaStudio結合提供的資料產生.c和.h檔,以便整合到客戶應用軟體中。

對於任何汽車技術,測試設備都是一個重要的生態系統元素,A2B也不例外。ADI將同其他值得信賴的測試設備供應商一同提供A2B分析儀和A2B匯流排Monitor,以支援新AD243x產品系列的所有特性。

A2B分析儀可以類比A2B網路中的主節點或子節點。這在設計和創建A2B網路的原型時會很有幫助。A2B monitor可作為A2B網路上的被動監視節點,用於觀測透過該節點的A2B音訊和資料,同時支援輸入和輸出音訊。這些工具可以協助客戶縮短上市時間和降低設計複雜度,另外還會加速對A2B設計導入的所有階段觀察到的任何問題的除錯和調查。

A2B有多家協力廠商設計服務合作夥伴,他們已多次將A2B設計成功推向市場。這些合作夥伴提供一系列服務,從現成的硬體模組到客製化硬體設計和軟體設計支援。對於汽車應用,建議使用AD243x系列的四種產品,其概述參見表1。

 

表1:AD243x系列A2B元件。

 

A2B音訊匯流排由ADI提供的一系列產品評估板提供支援,它們涵蓋各類A2B收發器。作為補充,多個協力廠商設計服務團隊也提供了其他幾種A2B板。

 

圖4:A2B評估系統樣板。

 

表2:A2B評估板。

 

總結

A2B被廣泛認為是汽車市場音訊網路的當然選擇。無論系統涉及音訊路由,或是還是涉及路噪降噪或環境降噪等聲學特性,都能受益於A2B眾所皆知的諸多好處,例如低延遲和出色的EMC性能。A2B產品組合還能在同一網路上傳輸非音訊資料,這為系統設計人員提供了多種新選擇,包括能夠輕鬆高效地在音訊網路上支援SOTA。

參考電路

1.程式碼庫:數百萬程式碼行。訊息美觀。

2.Simon Usborne. 「颶風艾瑪來的時候,特斯拉如何使一些汽車跑得更遠?」The Guardian,2017年9月。

3.Robert Charette. 「汽車依靠程式碼運行」 IEEE Spectrum

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論