h1_key

  未來的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和構(gòu)架

  在汽車不斷的演進(jìn)過程中，每增加一個(gè)新的傳感器或應(yīng)用程序需要通過增加一個(gè)新的獨(dú)立的電子控制單元(ECU)設(shè)備及其關(guān)聯(lián)的傳感器電路來實(shí)現(xiàn)，這種做法是非常低效的，因?yàn)殡S著點(diǎn)對點(diǎn)鏈接，需要增加連接的數(shù)量與安裝在車內(nèi)的 ECU 數(shù)量呈指數(shù)上升。

  為了克服這個(gè)問題，建立相關(guān)的 ECU 之間的通信鏈路，允許 ECU 彼此使用更高級的功能和共享數(shù)據(jù)，這種增長逐漸發(fā)展成了現(xiàn)在復(fù)雜的、異構(gòu)的車載網(wǎng)絡(luò)。但隨著時(shí)間增加新的子系統(tǒng)會被添加到車輛中，ECU 數(shù)量的增加帶來的是帶寬消耗的顯著增加。當(dāng)引入信息娛樂系統(tǒng)和基于視頻的高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)后，這些應(yīng)用程序相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求有顯著增長，現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬不足的問題凸顯，因此迫切需求下一代的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及架構(gòu)。

  為了不讓車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加復(fù)雜，將已有的分散小型控制器加以整合成為域控制器并配以開放式的整體架構(gòu)，成為現(xiàn)今汽車電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。所謂“域”就是將汽車電子系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為若干個(gè)功能塊，每個(gè)功能塊內(nèi)部的系統(tǒng)架構(gòu)由域控制器為主導(dǎo)搭建。各個(gè)域內(nèi)部的系統(tǒng)互聯(lián)仍可使用現(xiàn)如今十分常用的CAN和FlexRay通信總線。而不同域之間的通訊，則需要由更高傳輸性能的以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)信息交換任務(wù)。對于功能域的具體劃分，不同整車廠會有自己的設(shè)計(jì)理念，下圖給出了一種可能的劃分方法。在每個(gè)功能域中，域控制器處于絕對中心，它們需要強(qiáng)大的處理功率和超高的實(shí)時(shí)性能以及大量的通信外設(shè)。

  當(dāng)我們在談?wù)撚蚩刂破鞯臅r(shí)候，是要利用其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力為龐大的汽車軟件集中運(yùn)算提出可能，一般來說它是一個(gè)復(fù)雜的多核電控單元。然而回首十年前，大多數(shù)汽車電子控制單元一般為16Bit單核處理器。這一技術(shù)跨越意味著，控制器供應(yīng)商要在底層應(yīng)用軟件上下更大功夫，升級已有的開發(fā)工具鏈，才有可能在開發(fā)這一復(fù)雜系統(tǒng)的同時(shí)有效控制成本。

  而目前公開的系統(tǒng)最常見的就是AUTOSAR了，簡單理解AUTOSAR就是將汽車電子控制單元(ECU)的軟件底層做了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝。使得大家都能共用一套底層軟件，只需要修改其中的一些參數(shù)，就可以匹配不同硬件，也可以匹配不同的應(yīng)用層軟件。如此之后，用戶只需要專心負(fù)責(zé)應(yīng)用層功能開發(fā)即可，底層都交給AutoSAR工程師就行了。

  車載以太網(wǎng)

  車載以太網(wǎng)目前還處于初步階段，很多標(biāo)準(zhǔn)也在推廣和完善過程中，分為如下階段：

  第一階段(已經(jīng)有實(shí)用案例)，基于DoIP標(biāo)準(zhǔn)的車載診斷系統(tǒng)(OBD)和ECU軟件刷新。以ECU軟件刷新為例，和原有的CAN(1M/S)相比，刷新時(shí)間將縮短為原來的百分之一，該應(yīng)用將大大提升診斷和刷新效率，節(jié)省時(shí)間、生產(chǎn)及服務(wù)成本。

  第二階段車載以太網(wǎng)在信息娛樂系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)的使用，伴隨著BroadR-Reach技術(shù)的日益成熟和標(biāo)準(zhǔn)化的不斷推進(jìn)，基于AVB，SOME/IP等技術(shù)將逐步推廣使用，車載以太網(wǎng)將以單節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行搭載，如使用高分辨率的IP攝像頭的全景泊車等駕駛輔助系統(tǒng)，多屏互動的高清信息娛樂系統(tǒng)等進(jìn)入人們的視野。

  第三階段，前兩個(gè)階段專注于一個(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，在經(jīng)歷的前兩個(gè)階段的積累和磨練，第三階段將使用以太網(wǎng)為車載網(wǎng)絡(luò)骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個(gè)域級別的汽車網(wǎng)絡(luò)。

  車載以太網(wǎng)物理層技術(shù)

  Ethernet作為車載總線目前很多標(biāo)準(zhǔn)都還處于制定完善的過程，主要有IEEE 802.3bw(100BASE-T1,100Mbps,銅纜)及IEEE 802.3bp(1000BASE-T1,1Gbps,銅纜)。

  BroadR-Reach的 100 Mb/s汽車以太網(wǎng)解決方案----UTP(非屏蔽雙絞線)

  BroadR-Reach是博通公司開發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，特點(diǎn)是可用一對 UTP(非屏蔽雙絞線)實(shí)現(xiàn) 100 Mb/s 的傳輸速度。博通還聯(lián)合寶馬、通用等汽車制造商以及飛思卡爾等半導(dǎo)體公司成立了該項(xiàng)技術(shù)的普及促進(jìn)團(tuán)體「OPEN (One-Pair Ether-Net) Alliance SIG」。

  IEEE RTPGE 及 PoE 技術(shù)

  2013 年 7 月，IEEE 針對汽車及工業(yè)設(shè)備用途，在 IEEE802.3 內(nèi)成立了探討使用數(shù)據(jù)線供電(PoDL)及使用一對數(shù)據(jù)線供電(1PPoDL)工作組 [28]，1PPoDL 可用于 IEEE802.3 內(nèi)正在制定標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE P802.3bp RTPGE [13] 中。消費(fèi)類產(chǎn)品使用的 1000Base-TX 利用 4 對信號線實(shí)現(xiàn)了 1 Gb/s 的傳輸速度，而 RTPGE 的目標(biāo)則是利用少于 4 對的信號線來實(shí)現(xiàn)這一速度，未來的 RTPGE 將為車載以太網(wǎng)提供線束更少，速度更高的以太網(wǎng)鏈接標(biāo)準(zhǔn)。

  常用總線EMC器件推薦

  車載以太網(wǎng)的鏈路層協(xié)議

  現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)如 FlexRay 中的確定性 TDMA 的行為，對于安全關(guān)鍵應(yīng)用的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用 CDMA 模式的以太網(wǎng)，因?yàn)樗荒鼙ＷC確定的行為。有相當(dāng)數(shù)量的文獻(xiàn)論述解決汽車領(lǐng)域以太網(wǎng)對實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸問題，目前技術(shù)最為成熟的兩項(xiàng)技術(shù)是以太網(wǎng)音頻視頻橋接(AVB)和時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(TTEthernet)。

  1.IEEE 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN

  以 太 網(wǎng) 音 視 頻 橋 接 技 術(shù)(Ethernet Audio/VideoBridging，AVB)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用精準(zhǔn)時(shí)鐘同步，通過保障帶寬來限制傳輸延遲，提供高級別服務(wù)質(zhì)量以支持各種基于音視頻的媒體應(yīng)用。IEEE 音頻視頻橋接(AVB)工作組在 2012 年 11 月正式更名為「時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)工作小組」(Time-Sensitive Networking，TSN)，繼承了AVB 的傳統(tǒng)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN 也不是單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)組成，并且在 TSN 的 PAR 信息中提出了第二代 AVB 的概念。

  2.TTEthernet

  時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time )首次由 Kopetz 等人提出[37]，是一種基于 802.3 以太網(wǎng)之上的汽車或工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)通信候選網(wǎng)絡(luò)，它允許實(shí)時(shí)的時(shí)間觸發(fā)通信與低優(yōu)先級的事件觸發(fā)通信共存，使以太網(wǎng)具備滿足高安全等級的系統(tǒng)要求的同時(shí)，依然可以承擔(dān)對實(shí)時(shí)性要求不過分嚴(yán)格但仍然有高帶寬的以太網(wǎng)傳輸需求。由 TTTech 公司開發(fā)的 TTEthernet 已經(jīng) 通 過 美 國 汽 車 工 程 師 學(xué) 會(SAE)的 標(biāo) 準(zhǔn) 化(SAEAS6802[38])。

  TTEthernet應(yīng)用場景：

  高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)，得益于高帶寬和 TT 通信的結(jié)合。

  多媒體，高帶寬可靠數(shù)據(jù)通信，保證數(shù)據(jù)傳輸速率的音頻和視頻，是 TTEthernet 目前最有可能的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，通過使用 TTEthernet 可以將駕駛輔助系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)集成到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

  X-By-Wire 線控系統(tǒng)，TT 服務(wù)提供的強(qiáng)實(shí)時(shí)通訊，容錯和故障運(yùn)行，可以滿足這些系統(tǒng)的通訊要求。