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智能汽车以太网浅析
 
作者:明琴
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2022-9-15
 
编辑推荐:
本文主要是针对车载以太网的一个基本概念介绍,包括为什么要用以太网,以太网包含哪些优势。针对以太网的优势,在物理链路层要考虑哪些基本特性,以及目前以太网有哪些组织,涉及到哪些标准。
本文来自微信公众号汽车ECU开发 ,由火龙果软件Linda编辑推荐。

本文主要是针对车载以太网的一个基本概念介绍,包括为什么要用以太网,以太网包含哪些优势。针对以太网的优势,在物理链路层要考虑哪些基本特性,以及目前以太网有哪些组织,涉及到哪些标准。

1 车载网络技术的发展简史

1.1 车用电子设备的不断增加对汽车的综合布线和信息的交互共享提出了更高的要求

在汽车没有上网络之前,各个控制器之间主要通过硬线链接。各个控制器想要获取对方的信息没有相应的网络,只能通过点对点通讯模式获取。当所有控制器数的节点数量增加的时候,汽车所需要的硬线数量成几何数增加,进而导致了各种问题:

布线繁乱,不易维修

增加成本和重量

信号利用率低

当车用电子设备不断增加的时候,对汽车的综合布线及信息交互共享提出了更高的要求。

 

随着汽车网络技术的不断发展,车载网络系统逐步发展出CAN线,LIN线,Flexray,MOST等网络。

最早随着整车车用电器增多,需要有一个网络进行共享的时候,由BOSCH提出CAN网络的概念,CAN网络,即整车控制器局域网。之后出现了LIN线,LIN更多的被理解为CAN总线的一个辅助网络,应用于在车辆不需要CAN总线的移动场合。因为LIN线是用单根线链接,CAN线是双绞线,用LIN线辅助CAN线可以大大降低整车在线束的成本以及减轻线束的重量。随着技术的延伸,进而诞生了FlexRay网络,FlexRay可能大家有点感到陌生,它具备冗余功能,速率能达10M,目前出现在一些高档品牌车型,比如奔驰、宝马,主要应与底盘安全领域。接下来就有了USB,USB也被称作一个网络协议,随后慢慢开始用到MOST网络,MOST主要应用于语音视频。发展到现在,目前各个厂家在车辆中低速网络开始应用CANFD网络。随着车辆电器的增加,比如激光雷达,角雷达,毫米波雷达的应用,车辆信息的传输量暴增,对网络的要求更高,于是就有了百兆网,后面又出现1G网络。

综上所述,在车辆上,低速网络,我们用CAN总线升级CANFD进行通讯;高速网络,车载以太网将会成为智能网联汽车的主骨干网络。

2 车载以太网应用背景

2.1 以太网的诞生

前文提到,由于车辆用电器的数量增多,对于车辆点对点的硬线模式,需要一个局域网进行网络信号的共享。随着车辆智能网联化程度的加深,车用电器越来越多之后,原有的CAN, CANFD或者MOST等已经无法满足车辆现有的需求,于是就诞生以太网这个概念。

2004年宝马预测,在2008年之后其量产的车型上面会引入一个我们现在所说的网关功能。根据宝马的预测,在2008年其整车的音频数据量会达到1G,如果采用当时的CAN,即便是高速CAN,最高传输速率是500K。如果要进行数据刷新或者FOTA的时候,刷1G的流量或者数据量的时候所需要的时间会达到16小时。这是不能被容忍的,所以宝马提出这个引入的中央网关功能需要结合两个功能:第一是在车内不同的CAN, FlexRay和MOST之间进行路由数据转发;第二是作为与外界诊断接口和软件刷新接口。

同时在这个需求背景之下,车载网络也一直在面对数据量变大的一个外部现状:

数据量大:高精度的ECU应用代码,需要更大的ECU内存;

数量多:不断增加的ECU数量,导致车内总线带宽的瓶颈

新的应用场景:远程刷新,远程诊断,大数据传输和车联网

外部的现状促使我们必须要有一个新的总线来解决现有的通讯问题,同时针对这个新的总线我们也提出对应的介质需求:

带宽:可以满足新的需求(ADAS/车载娱乐)

可靠性:物理总线连接后,通信要稳定可靠

EMC:新的总线需要满足车规级的电磁兼容性

成本:成本低

2.2 车载以太网应用趋势

车载以太网应用趋势

在08年的时候,宝马开始以太网的应用研究,后来慢慢到2020年之后,许多厂家陆陆续续推出应用以太网的量产车型。

以太网分为100BASE-T1和100BASE-TX。100BASE-TX更多用于车辆与外部诊断接口相连,这就意味着需要两对以太网,两对双绞线TX/RX,还有一根唤醒线,总共是5条线。

2.3 车载以太网优势

简化车载网络架构

以前车上有很多网关/网络,很多个网络/网关进行数据连接,引入以太网之后,只需要通过一个基本功能网关来执行多种CAN的连接,比如底盘CAN, info CAN,随着摄像头和激光雷达、毫米波雷达的引入,整个带宽的需求增加,进而衍生了域(Domain)的概念,域的概念就是车辆会有一个中央网关,每一块功能上网的时候会有对应域,比如智能域,底盘域,娱乐域等。域与中央网关通过以太网连接,而在域之下可以通过以太网甚至CAN/CANFD进行连接。这样可以保证整个网络是基于服务来获取我们所需要的信息和资源。

轻量化,降低线束重量

前面提到整个车载网络的推行如果要落地,肯定是要具备相应的成本优势。常规以太网是100BASE-TX,采用两对双绞线,一对双绞线传输数据,另外一对双绞线传输电源,而载以太网采用一对双绞线,在一对双绞线的基础上面,同时进行信号和电源的传输,这样就大大会减少整个线束的重量,同时也会降低线束的成本。

3 车载以太网概述

3.1 车载以太网定义

车载以太网是在单对双绞线身上,匹配以太网连接器,同时进行供电和数据传输,实现100Mbit/s甚至1Gbit/s数据传输,整个链路特性阻抗为100欧姆。

车载以太网开发了PoDL,可以在一对线缆上为电子控制单元ECU的正常运行提供12V电压

3.2 汽车以太网通信协议相关标准及组织

Open 联盟:由博通公司联合半导体公司飞思卡尔创建,更多的关注线缆也就是物理层信息

IEEE和AVNU:重点关注链路层信息

AUTOSAR组织:重点关注整个以太网刷新的接口跟外部的统一

ISO:聚焦包括所有速率的汽车以太网相关研究

六大标准组织在链路层及应用层上的贡献

这里着重讲解一下OPEN联盟和IEEE在物理层和整个链路层上面的一些应用标准。

物理层:

TCX标准:由OPEN联盟制定的标准,从TC1到TC12包含线缆、ECU、EMC的测试标准,TC2,TC3 TC7和TC9是整个物理层上面的标准。

802.3bp与802.3bw:IEEE组织推出,可以跟OPEN联盟标准进行等效,比如说802.3等效成TC9,802.3bw等效成TC2

链路层:

PoDL(Power over Data Line)标准:前文提到以太网用一对双绞线来传输,既能传输信号又能传输电源,这是因为采用一个PoDL标准。

TSN(Time Sensitive Networking):IEEE标准小组发展的关于时间的标准

AVB(Audio Video Bridging):音视频桥接标准

3.3 车载以太网在汽车上的应用

最后讲解一下整个车载以太网的一个应用,车载以太网的出现是为了满足随着一些摄像头,比如说毫米波雷达,激光雷达,ADAS,智能辅助驾驶,慢慢的应用之后必须要有一个新的网络,来替代以前的一些CAN, CANFD, FlexRay,MOST的需求而诞生的网络。目前车载以太网主要用用在三大领域:

信息娱乐:车辆大屏HSD线已经逐渐用以太网替代

ADAS:由于自驾域的出现,自驾域下面一些传感器,比如中央处理器交互,以及后面传感器控制器摄像头之间的交互,慢慢的需要用到ADAS

诊断和刷新:前面提到的宝马刷新需求,如果要刷1G数据量,若用以前的CAN或者CANFD,刷新要用16小时或8小时,然而用以太网之后速率能达100M的。在保证接口不变的情况下,即用到的连接器的接口都不变,只需要把CAN线换成以太网的线,就能达到相应的一个速率。

以上就是车载以太网在整个汽车上面应用分享。

   
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