車載以太網(wǎng)-兩個(gè)世界的深度擁抱 -科普

1、車載以太網(wǎng)兩個(gè)世界的深度擁抱 | 科普 本文作者：老涂 編輯：谷磊 2017-04-09 19:29 導(dǎo)語(yǔ)：車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、影音娛樂(lè)、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來(lái)更高性能的潛力，它將成為實(shí)現(xiàn)多層它將成為實(shí)現(xiàn)多層面高速通信的基石 雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))按：本文作者老涂，汽車電子工程師，供職于國(guó)內(nèi)某汽車技術(shù)中心，從事汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)研發(fā)。汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化，甚至自動(dòng)駕駛大浪已經(jīng)來(lái)臨；浪潮帶來(lái)的是ADAS技術(shù)的不斷革新、高品質(zhì)車載娛樂(lè)影音的影音推進(jìn)、以及OTA遠(yuǎn)程升級(jí)、V2X、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等一系列技術(shù)的發(fā)展；這推進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)容量需求的爆發(fā)式發(fā)展，顯然這已經(jīng)超出

2、了CAN或FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的歷史使命。這也正是以太網(wǎng)與汽車深度擁抱集成的契機(jī)。車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、影音娛樂(lè)、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來(lái)更高性能的潛力（如自動(dòng)駕駛時(shí)代所需要的更大數(shù)據(jù)傳輸）。它將成為實(shí)現(xiàn)多層面高速通信的基石，相對(duì)于20世紀(jì)90年代的控制器局域網(wǎng)（CAN）革命，它的規(guī)模將更大，意義將更深遠(yuǎn)。專家預(yù)測(cè)，到2020年，汽車中部署的以太網(wǎng)端口將達(dá)5億個(gè)。 Etherent,FlexRay,MOST節(jié)點(diǎn)裝載數(shù)量預(yù)測(cè)一、 傳統(tǒng)汽車總線技術(shù)1、傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前主流的車載網(wǎng)絡(luò)主要由 CAN、LIN、FlexRay、MOST 、LVDS等構(gòu)成。除了LV

3、DS這些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基本上都是面向汽車行業(yè)制定，有著濃重的汽車行業(yè)特色。表1中對(duì)各種不同網(wǎng)絡(luò)形式對(duì)了簡(jiǎn)要的對(duì)比。表1 傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)比 CAN主要用于車上控制數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)役車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速度為 1 Mb/s，可以說(shuō)興起于20世紀(jì)90年代的控制器局域網(wǎng)（CAN）革命，對(duì)于整個(gè)汽車電子行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)是巨大的。LIN 是一種低成本通用串行總線，在汽車領(lǐng)域主要用于車門、天窗、座椅控制等，最大傳輸速度為 20 kb/s。FlexRay 是繼 CAN 和 LIN 之后的新一代汽車控制總線技術(shù)，同樣屬于共享式總線技術(shù)，帶寬可達(dá) 10Mbps。FlexRay 的主要優(yōu)勢(shì)在于相比C

4、AN 總線具有較高的帶寬，可以滿足汽車關(guān)鍵應(yīng)用的要求，但是同樣作為共享式總線技術(shù)，其成本卻很高，主要適用于中高端車中的線控系統(tǒng)（如懸架控制、變速箱控制、制動(dòng)器控制、轉(zhuǎn)向控制等）。MOST主要支持的多媒體流數(shù)據(jù)傳輸，MOST150標(biāo)準(zhǔn)的最大帶寬為150 Mb/s的，在車載多媒體數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用較多，MOST150支持基于IP的應(yīng)用程序，由于單一供應(yīng)商的問(wèn)題，基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)成本較高。LVDS是一種電氣數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)，通過(guò)銅纜雙絞線傳輸高速數(shù)據(jù)（最高可達(dá) 850 Mb/s，最長(zhǎng)傳輸距離10 m），是計(jì)算機(jī)總線的一部分。在汽車領(lǐng)域 LVDS 主要用于屏幕和攝像頭之間的數(shù)據(jù)傳輸。2、深度擁抱的契機(jī)如果說(shuō)2013年寶

5、馬在X5僅僅是拉開(kāi)了以太網(wǎng)進(jìn)軍車載系統(tǒng)的帷幕（圖例），那么可以毫不夸張的說(shuō)時(shí)至今日以太網(wǎng)與汽車將迎來(lái)了一次深度擁抱的契機(jī)，它們也將共同演繹一場(chǎng)“融合”大戲。 寶馬車載以太網(wǎng)搭載大家耳熟能詳?shù)哪柖筛嬖V我們微處理器上的晶體管數(shù)目每?jī)赡昃蜁?huì)增加一倍；這一定律似乎同樣適合汽車行業(yè)，隨著處理器運(yùn)算能力和硬件的高速發(fā)展，使得許多創(chuàng)新在汽車環(huán)境下得到迅速推進(jìn)，汽車電子產(chǎn)品在整車中所占比重也與日俱增，連接ECU的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求也相應(yīng)的增大，這一需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出CAN或FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的容量極限。此外，伴隨著車輛網(wǎng)聯(lián)化、智能的推進(jìn)，智能手機(jī)與車載設(shè)備的聯(lián)動(dòng)、云和大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，以及高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（A

6、DAS）的普及，構(gòu)筑新電子網(wǎng)絡(luò)總線平臺(tái)已經(jīng)成為新一代汽車的必然任務(wù)，一直被汽車行業(yè)拒之門外的以太網(wǎng)不會(huì)放過(guò)這次絕佳的契機(jī)。 未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車二、 車載以太網(wǎng)技術(shù)1、車載以太網(wǎng)相關(guān)優(yōu)勢(shì)低成本下的高帶寬新的汽車功能，如自動(dòng)泊車系統(tǒng)、車道偏離檢測(cè)系統(tǒng)、盲點(diǎn)檢測(cè)和高級(jí)信息娛樂(lè)系統(tǒng)等引發(fā)了對(duì)新的數(shù)據(jù)總線需求。顯然未來(lái)我們需要的是更加開(kāi)放、高速，且易于與其他電子系統(tǒng)或者設(shè)備集成的車載網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)有助于減少功耗，線束重量和部署成本。對(duì)于上述需求以太網(wǎng)似乎能提供一攬子的解決方案，以博通公司采用的突破性 BroadR-Reach 技術(shù)為例，其可用單對(duì)的非屏蔽雙絞線進(jìn)行信號(hào)傳輸，并能夠提供 100Mbit/s 及更

7、高的寬帶性能，并使電纜重量減輕 30%、降低連接成本可達(dá)80%。 2015年CES發(fā)布的下一代BroadR-Reach 車載以太網(wǎng)芯片支持不同應(yīng)用的多種協(xié)議和功能傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)支持的通信協(xié)議較為單一，而車載以太網(wǎng)可以同時(shí)支持AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多種協(xié)議或應(yīng)用形式。其中，Ethernet AVB 是對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能的擴(kuò)展，通過(guò)增加精確時(shí)鐘同步、帶寬預(yù)留等協(xié)議增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，是極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。SOME/IP(Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP)則規(guī)定了車載攝像頭應(yīng)用的視頻通信接口要求，可

8、應(yīng)用于車載攝像頭領(lǐng)域，并通過(guò)API實(shí)現(xiàn)駕駛輔助攝像頭的模式控制。作為AVB協(xié)議的擴(kuò)展，車載時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN,  Time-Sensitive Networking)則引入時(shí)間觸發(fā)式以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，能高效的實(shí)現(xiàn)汽車控制類信息的傳輸。此外，1Gbit 速率通信標(biāo)準(zhǔn)的車載以太網(wǎng)同時(shí)還支持 POE(Power Over Ethernet)功能和高效節(jié)能以太網(wǎng)(EEE, Energy-Efficient Ethernet)功能，POE 功能可在雙絞線傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)為連接的終端設(shè)備供電，省去了終端外接電源線，降低了供電的復(fù)雜度。適應(yīng)未來(lái)的能力歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，以太網(wǎng)之所以長(zhǎng)期以來(lái)如此成功，

9、主要原因之一便是以太網(wǎng)是一種可持續(xù)更新、發(fā)展的技術(shù)。在經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(10Mbps)、快速以太網(wǎng)(100Mbps)和千兆以太網(wǎng)(Gigabit Ethernet)推進(jìn)和發(fā)展后，以太網(wǎng)還在繼續(xù)著不斷的自我迭代升級(jí)。當(dāng)然在支持帶寬持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，它任然保持對(duì)原有系統(tǒng)的兼容性。所以說(shuō)：一旦以太網(wǎng)技術(shù)推廣至汽車行業(yè)，它帶來(lái)的不僅僅是一種成熟的通信技術(shù)，更是一種對(duì)未來(lái)的適應(yīng)能力。無(wú)線功能多年來(lái)，最能體現(xiàn)以太網(wǎng)是如何適應(yīng)新需求的、發(fā)掘新潛力的事例之一就是當(dāng)前非常流行的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)wifi的引入。類似于Broadcom公司的BroadR-Reach，WiFi也有專供汽車使用的變體，“汽車環(huán)境無(wú)線存取”WAVE

10、；2010年發(fā)布的IEEE802.11p通信規(guī)范對(duì)WAVE進(jìn)行了定義，后被寫入IEEE802.11-2012主標(biāo)準(zhǔn)中。車載以太網(wǎng)的普及無(wú)疑將成為WAVE引入汽車最佳催化劑，而在智能交通時(shí)代，WAVE也將為V2X提供新的想象空間。  V2X通訊場(chǎng)景2、車載以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)  車載以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展路線以太網(wǎng)作為一種新型車載網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)入汽車網(wǎng)絡(luò)，肯定是無(wú)法一蹴而就，在短期內(nèi)是無(wú)法取代現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)，因此以太網(wǎng)在進(jìn)入汽車網(wǎng)絡(luò)時(shí)考慮分階段、從子系統(tǒng)開(kāi)始逐步深入，并最終統(tǒng)籌汽車網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)過(guò)程。現(xiàn)今可預(yù)期的車載以太網(wǎng)的發(fā)展主要可分為三個(gè)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

11、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(lái)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(lè)系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)的使用，伴隨著B(niǎo)roadR-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(dòng)的高清信息娛樂(lè)系統(tǒng)等進(jìn)入人們的視野。  基于車載以太網(wǎng)技術(shù)的全景泊車第三階段，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

12、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(dòng)力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個(gè)域級(jí)別的汽車網(wǎng)絡(luò)。3、挑戰(zhàn)雖然不乏OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織在積極推動(dòng)車載以太網(wǎng)的發(fā)展，但是各類標(biāo)準(zhǔn)的完善和落地還需一些時(shí)日；雖然Broadcom、NXP、Marvell等半導(dǎo)體公司對(duì)車載以太網(wǎng)保持著積極的研發(fā)投入，但是市場(chǎng)上其他各類配套開(kāi)發(fā)、測(cè)試技術(shù)似乎才邁出“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”。因此，現(xiàn)階段對(duì)于車載以太網(wǎng)的推進(jìn)而言相關(guān)開(kāi)發(fā)工具、配套測(cè)試裝備的相對(duì)匱乏將成為最大的難題。此外，車載以太網(wǎng)的引入，將給汽車帶來(lái)新的數(shù)據(jù)信息安全風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)應(yīng)對(duì)措施也值得

13、開(kāi)發(fā)人員的思考。  車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織三、基于域控制器的混合車載網(wǎng)絡(luò)如第二部分所述，汽車電子發(fā)展的趨勢(shì)似乎表明以太網(wǎng)將取代CAN成為骨干網(wǎng)，而子網(wǎng)將是由若干域控制器(Domain Controller)組成的車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖，該車載網(wǎng)絡(luò)以高速以太網(wǎng)作為骨干，將5個(gè)核心域控制器（動(dòng)力總成、底盤控制、車身、娛樂(lè)、ADAS）連接在一起。各個(gè)域控制器在實(shí)現(xiàn)專用的控制功能的同時(shí)，還提供強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)功能。這種基于域控制器的架構(gòu)改變傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)中ECU到ECU的點(diǎn)到點(diǎn)通信方式，如：在車身控制域內(nèi)部，各部件通過(guò)CAN、LIN溝通實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享（類似于傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)），在娛樂(lè)子網(wǎng)中，娛樂(lè)域控制器與其子部件的通信將通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)一個(gè)域需要與其他域交換信息時(shí)則經(jīng)由網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)路由實(shí)現(xiàn)。  面向域控制器的混合