Joe Triggs, Jagannath Rotti, Karthik Radhakrishna, 和 Danny Ko

無線軟件升級(SOTA)正迅速成為汽車OEM須開發和部署的重要能力。更新模塊、支持客戶、和通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。本文討論SOTA為何出現在汽車環境中，如何部署SOTA，以及如何使用A2B?技術在音頻和信息娛樂網絡中實現SOTA。

簡介

如果消費者要對其物品的軟件復雜度進行排名，那么排在首位的是什么？筆記本電腦？智能手機？游戲機？事實可能讓人大吃一驚——停在車道上的車輛的軟件復雜度很可能要比上述任何設備高出一個數量級。目前汽車平均擁有多達150個電子控制單元(ECU)，運行著多達1億行代碼。相比之下，F-35戰斗機的代碼不到2500萬行，Android操作系統不到1500萬行代碼，谷歌瀏覽器不到1000萬行代碼。1

隨著汽車應用中軟件的大量出現，需要一種管理和控制整個車輛中存在的無數軟件版本的方法。SOTA更新能為汽車制造商或OEM帶來很多好處，從修復輕微的車輛問題到應對自然災害等不一而足。2017年9月，特斯拉展示了SOTA更新最受廣泛認可的應用之一，以應對颶風艾爾瑪。當時，風暴席卷美國佛羅里達州，特斯拉通過發布SOTA更新來響應客戶請求，解鎖車輛的額外續航里程以幫助車主行駛到安全地方，擺脫即將到來的颶風。2其他OEM廠商如在運用車輛的SOTA能力方面存在差距，就會導致聲譽受損和消費者信心丟失。

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數量和代碼行數進一步增加，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高。

自從1977年Oldsmobile Toronado首次使用微控制器控制點火時序以來，ECU便一直是汽車版圖的一部分。3 軟件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表板、中控臺和其他裝飾，工作量相當大。從車輛中拆下之后，早期ECU需要使用復雜的工具重新編程，例如針床編程器，這些工具既昂貴又復雜，而且偶爾還會不穩定。所有這些因素結合起來，使得早期ECU的軟件更新不是一個有吸引力的選擇，不如直接更換模塊。

無線更新軟件

SOTA是汽車行業軟件更新發展的一個轉折點，它將早期ECU變成今天的高度網絡化且靈活的汽車基礎設施。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。我們已經了解了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件問題。這是一種非常強大的能力，因為它能免去軟件相關的車輛召回，從而提高消費者的使用體驗，并降低OEM的召回成本。不需要車輛到店，以受控方式應用軟件更新的能力，可為OEM創造巨大價值。

SOTA具有簡化車輛生命周期的許多其他要素的潛力，而不僅僅是精簡軟件召回管理流程。生產過程中可以使用SOTA來確保車輛固件正確，然后才完成車輛并交付運輸。車輛的運輸時間從幾天（例如OEM國內市場）到幾周（例如國外市場）不等，在車輛到達目的地市場時，需要進行軟件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按預期運行。這對處于生命周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件更新。

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。以信息娛樂系統為例，OEM未來可以為客戶提供升級車輛中正在運行的軟件的能力，具體取決于客戶的需求。對于日常駕駛，要在通勤期間收聽廣播或撥打免提電話，標準音頻配置可能就足夠了。對于長途旅行或度假，OEM可以提供升級到高清音頻或音頻處理算法的選項，以優化車輛內的聲音分布。SOTA可以用來方便地支持這種升級，交易發生后幾分鐘內就能實施，這有可能為OEM帶來可觀的額外收入流。

SOTA考慮因素

OEM考慮在車輛中實現SOTA之前，必須考察幾個系統特征，例如：需要多少帶寬，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解決方案提供的帶寬，必須知道典型的軟件更新文件大小以及可用來在網絡上傳輸軟件更新的時間。雖然很多軟件下載是以增量格式提供的，其中只包含需要更改的軟件組件，但文件大小仍可能在數十MB的范圍內。如果可用帶寬在KB范圍內，則下載軟件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通過網絡可靠傳輸信息涉及的協議方面：握手、錯誤檢測和糾錯。握手是SOTA節點協商和確認通過鏈路傳輸數據的過程——例如，確保每個傳輸塊成功完成后才傳輸下一塊。錯誤檢測是SOTA節點監視鏈路上傳輸的數據以識別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余校驗(CRC)值常用于實現此類要求。糾錯是SOTA 節點響應錯誤狀況并在可能的情況下從中恢復的過程。有多種技術可實現糾錯——從重新請求來源節點重新傳輸接收出錯的數據塊，到使用前向糾錯(FEC)等方案來修復損壞的數據。

根據SOTA解決方案提供的帶寬和傳輸協調要求，可能需要在不同的網絡上實現數據傳輸和傳輸協調。這通常不是問題，因為汽車ECU通常具有多個不同負載的通信接口（A2B、CAN、LIN、CXPI、以太網、FlexRay等）。然而，如果可能的話，在同一鏈路上同時容納數據傳輸和傳輸協調顯然更可取。

汽車網絡安全漏洞的后果已經在多個場合被曝光，白帽黑客控制車輛網絡后，通過執行雨刷、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員和其他道路使用者的安全造成災難性的影響。OEM必須采取措施確保對所有車載網絡進行適當的身份驗證，以防止未經授權的節點或用戶獲得訪問權限。

已經提到的許多成熟汽車網絡都適用于SOTA架構，例如CAN或以太網。近年來，ADI公司的A2B已成為解決日益復雜的音頻需求的當然選擇。A2B相比其他連接解決方案擁有顯著的音頻帶寬優勢，而且還提供數據傳輸能力，使得OEM有機會將SOTA能力整合到其音頻網絡中，而無需額外的硬件。

A2B 概述

A2B 是一種高帶寬雙向數字總線，最初用于解決汽車應用中出現的音頻分配挑戰。現有的汽車音頻架構通常涉及音響主機、放大器、揚聲器和麥克風之間的多個點對點模擬連接。A2B解決了許多與點對點模擬連接相關的挑戰，包括電纜重量、電纜成本、布線難題，以及多個連接的可靠性問題。A2B有助于通過非屏蔽雙絞線(UTP)電纜和連接器，在分布式多節點音頻系統中傳輸完全同步的音頻數據(I2S/TDM/PDM)和控制數據(I2C/SPI)。

A2B技術可提供50Mbps的總線帶寬，上下行支持最多32個音頻通道。A2B具有小于50 μs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)、回聲消除和降噪(AEC-NR)、波束成型(BF)等。

A2B支持多種不同拓撲結構，例如點對點、菊花鏈和分支，因而它適合廣泛的汽車應用——從具有音響主機和麥克風模塊的入門級信息娛樂系統，到更復雜的音頻系統，例如兼具ECU、多個麥克風、揚聲器和加速度計的RNC。

A2B網絡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15 m，主節點和最終子節點之間的最大電纜長度為80 m（包括分支）。主節點包含一個連接到主機處理器的A2B收發器，它能將音頻、控制數據和I2C/SPI數據發送到A2B音頻總線上。子節點的復雜程度不一，復雜的如具有強大處理能力的音頻功放，簡單的如麥克風節點。子節點中的A2B收發器與各種外設接口，例如麥克風、數字信號處理器(DSP)、揚聲器、傳感器（如加速度計）或D類放大器。

主節點和子節點收發器器件支持多種增值功能，例如時分復用(TDM)和脈沖密度調制(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（不支持TDM）和優化的主節點收發器（電纜長度更短、子節點更少）。

除了支持本地供電的A2B節點外，A2B還提供總線供電，以便為具有挑戰性的音頻系統架構（例如有源遠程調諧器）和創新的音頻特性（例如支持D類的頭枕揚聲器）提供便利。最新一代A2B收發器 (AD243x) 能夠支持標準總線功率模式（最高2.7 W）或高功率模式（最高50 W）。

A2B從一開始就設計為汽車鏈路，具有業界領先的EMI/EMC性能，并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，以緩解汽車一級供應商和原始設備制造商通常遇到的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數據傳輸

除了支持音頻傳輸之外，A2B還為通過總線傳輸其他形式數據的機制提供了便利。超幀是讓A2B能夠通過總線同時傳輸音頻和數據的基本結構之一，該結構由多個下行和上行同步數據時隙、同步控制和同步響應幀組成。同步數據時隙不僅承載音頻應用中的I2S和TDM數據，也可用來承載其他類型的數據以滿足SOTA應用的要求。

主節點發起一個超幀的傳輸，在同步控制幀之后加入同步（音頻）和異步(I2C/SPI)數據。每個子節點可以使用或消費一些下行數據，并為其他下行節點添加數據。總線上的最后一個子節點發起超幀的上行部分，每個節點在同步響應幀之后添加額外的同步數據。每個節點都可以使用或消費上行數據。

圖2. 超幀結構

好幾代A2B收發器都支持的另一種數據傳輸機制是郵箱。主節點和子節點可以使用郵箱通過網絡發送I2C消息——從主節點到子節點或從子節點到主節點。郵箱通常用于在主節點的主機（例如音響主機）和子節點的處理器（例如音頻功放）之間建立握手。

主機處理器可以發起與子節點中的處理器的通信，將所需數據通過A2B總線加載到子節點A2B收發器的郵箱寄存器中。子節點中的A2B收發器通過中斷引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信，將需要傳輸的數據加載到子節點收發器中的郵箱I2C寄存器中。主節點中的A2B收發器通過中斷引腳提醒主機，子節點收發器中存在I2C消息。然后，主機可以選擇通過A2B總線讀取子節點收發器郵箱寄存器中的數據。

最新一代A2B收發器系列(AD243x)引入了第三種傳輸機制，可以在A2B超幀的同步時隙內遠距離傳輸SPI數據。A2B收發器SPI接口可用于多種不同的應用——以高達10 MHz的SPI時鐘速率來接口A2B收發器，實現對子節點收發器中的寄存器和狀態信息的直接訪問，與子節點中支持SPI的外設通信，甚至可以在沒有主節點參與的情況下支持子節點之間的SPI到SPI通信。無SPI接口的前幾代A2B收發器能夠將具有SPI數據的超幀透傳到網絡中的其他上下游節點。

A2B 參考軟件

A2B對整個網絡的軟件開銷要求極低，主機控制器可以遠程執行整個網絡的完整初始化。為了支持網絡配置以及在配置后與網絡交互（例如事件/中斷驅動、寄存器輪詢），ADI公司提供了全面的ISO/IEC 15504（ASPICE）認證軟件包。該軟件有多種版本，包括與Embedded C、Linux?、Android和QNX兼容的版本，以幫助縮短客戶的上市時間，并確保與最優化的收發器配置一致。

除了為支持A2B基本操作而提供的軟件外，還有可選軟件包用來幫助客戶操作各種特性，例如通過A2B進行數據傳輸。軟件包可用來發揮上面已經討論過的A2B特性，如圖3所示。A2B Communication Channel軟件插件利用A2B郵箱在網絡節點之間傳輸信息。A2B Data Pipe軟件插件利用A2B同步時隙在網絡節點之間傳輸信息。A2B Data Tunnel軟件插件利用A2B SPI遠距離數據在網絡節點之間傳輸信息。

圖3. A2B用于數據傳輸的硬件和軟件能力的相關性

A2B郵箱特性與Communication Channel軟件插件相結合，可提供高達15 kbps的數據吞吐速率。雖然對于診斷等應用很有用，但郵箱特性提供的吞吐速率不足以支持SOTA等帶寬密集型應用。

A2B同步時隙與Data Pipe軟件插件相結合，可以實現超過1 Mbps的數據吞吐速率。這就為SOTA應用提供了更具吸引力的通信速度——例如，在20秒內傳輸20 Mb的文件。SPI遠距離數據與A2B Data Tunnel軟件插件相結合，可以實現超過16 Mbps的數據吞吐速率。這是A2B總線上的最快數據通信速度——例如，在不到7秒的時間內傳輸100 Mb的文件。

A2B 工具

ADI公司開發的行業公認算法與鏈路設計工具SigmaStudio?也支持A2B。SigmaStudio支持A2B設計導入流程的各個方面——通過拖放A2B節點和周邊器件進行網絡設計、節點配置、誤碼率分析、帶寬計算和功率計算。SigmaStudio結合提供的數據生成.c和.h文件，以便集成到客戶應用軟件中。

對于任何汽車技術，測試設備都是一個重要的生態系統元素，A2B也不例外。ADI公司將同其他值得信賴的測試設備供應商一道提供A2B分析儀和A2B總線Monitor，以支持新AD243x產品系列的所有特性。

A2B分析儀可以模擬A2B網絡中的主節點或子節點。這在設計和創建A2B網絡的原型時會很有幫助。A2B monitor可作為A2B網絡上的被動監視節點，用于觀測通過該節點的A2B音頻和數據，同時支持輸入和輸出音頻。這些工具可以幫助客戶縮短上市時間和降低設計復雜度，另外還會加快對A2B設計導入的所有階段觀察到的任何問題的調試和調查。

A2B有多家第三方設計服務合作伙伴，他們已多次將A2B設計成功推向市場。這些合作伙伴提供一系列服務，從現成的硬件模塊到定制硬件設計和軟件設計支持。

對于汽車應用，建議使用AD243x系列的四種產品，其概述參見表1。

A2B音頻總線由ADI提供的一系列產品評估板提供支持，它們涵蓋各類A2B收發器。作為補充，多個第三方設計服務團隊也提供了其他幾種A2B板。

圖4. A2B評估系統樣片

總結

A2B被廣泛認為是汽車市場音頻網絡的當然選擇。無論系統涉及音頻路由，還是涉及路噪降噪或環境降噪等聲學特性，都能受益于A2B眾所周知的諸多好處，例如低延遲和出色的EMC性能。A2B產品組合還能在同一網絡上傳輸非音頻數據，這為系統設計人員提供了多種新選擇，包括能夠輕松高效地在音頻網絡上支持SOTA。

審核編輯：郭婷