• 速銳得車載以太網的信息性能優勢硬件及應用研究

    2020-04-14 16:06:32 劉國瓊 232

    車載通信技術的發展從串行通信,到工業總線,再到總線網絡。隨著車載電子控制和信息裝置的增加以及信息服務需求不斷增加,更高級的計算機網絡在車上應用是必然的,尤其是多媒體信息,以及電子地圖、因特網信息等在車上的應用,像CAN這樣的總線已經只能滿足部分功能,但難滿足帶寬以及傳輸形式,從現在看來,車載以太網已經在各豪華車系隨之落地。

    由于以太網技術的成熟以及廣泛應用,人們自然會想到把它用到車上去滿足這部分需求,只是當下軟硬件的成本都相對偏大,因為車載環境以及車上網絡數據傳輸需求,又和以太網設計初衷存在很大差異,在車上使用以太網,就要對其進行適當修改,既要保持以太網的優勢和特點,又要滿足車輛環境的要求,這就是所謂的車載以太網。

     圖片圖一:速銳得破解特斯拉以太網數據

    速銳得根據汽車上網絡通信中不同的數據類型及網絡通信的傳輸框架,采集車載以太網車載信息通信的數據,以特斯拉為例,速銳得已具備特斯拉Model 3網絡拓補及整車電路圖,通過LIN、CAN、CAN-FD及以太網獲取左(L)右(R)車身控制器單元BCM、電機控制器單元、前車身控制器數據,作為整車控制策略數據研究、數據獲取及采集開發、教學,車載網絡部分3CAN、4LIN,雖然不比LBCM5CAN、4LIN)、RBCM10CAN、14LIN(超聲波雷達占用12路)),算是不少的資源。

     

    一、車載以太網傳輸的信息

    車上傳輸的數據信息類型以及對這些數據的使用要求,決定了傳輸網絡的特性要求,也是車載網絡標準的選擇或設計的依據,汽車上控制系統及信息系統使用和傳輸的數據可以分為控制命令參數、安全及輔助駕駛信息數據、娛樂信息(多媒體)數據、信息服務類數據。

    1、控制命令參數

    1)低帶寬的控制應用:這些車內控制子系統需要的帶寬較低,服務質量要求也不高,包括車內那些并不嚴格要求安全性的控制系統,如電動后視鏡折疊及電動座椅。

    2)實時控制應用:這些車內系統對帶寬的要求相對較低,但要求較高、實時性強的,如懸架和制動系統、ABS、牽引力控制系統,這些服務要求質量是相對較高的。

    2、安全及輔助駕駛信息數據

    越來越多的現代汽車都配備了許多內置的駕駛輔助安全系統,包括使用激光雷達或者雷達傳感器自適應巡航控制系統,倒車雷達和應用紅外線傳感器的夜間行人檢測,這些數據會影響駕駛安全,要求高的可靠性和實時性。

    3、娛樂信息(多媒體)數據

    除了傳統的信息娛樂系統,車上安裝越來越多的視頻音頻裝置,傳輸的都是多媒體數據,要求較高的帶寬,并根據應用的不同,又有較高的服務質量要求,包括一些被動安全系統,如給駕駛員看的360全景倒車攝像機,也包括主動安全系統,使用前后光學攝像機的車道偏離檢測,這些也是傳輸以太網中傳輸的典型信息

    4、信息服務類數據

    信息服務類數據除了傳統的定位導航的電子地圖數據外,隨著車輛與互聯網的連接以及獲取信息能力上和上傳信息能力的提高,這些與傳統互聯網絡傳輸的信息類似的數據量會大量增加,即使在車載環境中,從用戶使用以及工業技術基礎的方面,以太網仍然是這些數據合適的傳輸網絡,只不過因為目前造價和研發成本過高,沒有大量普及而已。

     

    二、車載以太網的性能

    與傳統以太網應用環境相比,車載系統具備以下特點:

    1)分布范圍小,密度大。

    2)、結點差異性大,數據類型多,對數據傳輸的帶寬、實時性、可靠性等需求復雜,變化范圍寬。

    3)、要求行業技術以及設備標準化,結構開放、擴展靈活。

    4)、對硬件技術指標有更高的要求,對成本更為敏感,要考慮以太網數據應用中數據采集、維護、布線和可采集數據清單及效率要求。

    5)、硬件標準不能太低,要滿足汽車行業標準,對可靠性、使用環境參數、電磁兼容性、環保以及低功耗等方面要求盡量靠前。

     

    三、使用以太網的優勢

    雖然以太網設計的初衷并不是在車輛環境應用的網絡,但由于其在計算機網絡領域的技術和應用基礎,以及車輛上的技術發展和應用需求,使得以太網上車后具有一些其他標準不能比擬的優勢,主要有以下幾方面:

    1、技術成熟,軟硬件開發生產有基礎,可縮短研發生產周期,提高效率,降低成本。

    2、應用功能易于與其他系統對接,各種基于網絡的信息應用技術和產品可以移植到車載系統,和裝個電腦類似。

    3、符合車載信息技術技術發展趨勢,以后車聯網及物聯網的互聯,必須依賴以太網技術,結合5G,后續可以有無窮盡的想象空間。

    4、有利于成熟IT技術進入汽車行業,促進車載信息技術、車輛信息化和智能化發展。

    5、已經熟悉以太網的用戶更易于接受基于車載以太網的信息服務功能和系統。

    6、有利于車輛智能化和各種基于信息技術的車輛安全技術的推廣,從此開啟軟件定義汽車的時代。

    7、支持車載以太網的物理層需求的硬件技術以及成本已經得到了驗證,一些車載以太網系統的應用驗證了在車輛上使用以太網構建車載網絡的可行性,例如保時捷的車載無線終端:

     圖片圖二:保時捷網關集成以太網

    四、支持車載以太網的硬件

    隨著車載以太網技術的發展,在不斷完善相關協議標準的同時,支持車載以太網的硬件電路也在不斷被開發出來。車載以太網的硬件電路也可以分為兩類,一類是車載以太網通信介質芯片,一類是支持車載以太網通信協議的處理器,與一般以太網相比,車載以太網特點是使用及儲存溫度范圍、電磁兼容性等方面符合汽車環境要求?;趯囕d信息技術及產品潛在發展的預期,不僅傳統的車載電子元器件生產商積極開發車載以太網技術及產品,一些屬于網絡行業的企業也積極加入車載以太網的研究開發。

     圖片圖三:支持以太網數據采集和傳輸的終端(速銳得V81

    邁威爾與麥瑞半導體在2012年就發布了符合標準的用于車載網絡的以太網實體元件;飛思卡爾推出支持AVB iMX 6系列應用處理器,為面向車載信息娛樂系統以及融合車載信息服務和信息娛樂平臺的設計提供了方便,并通過硬件和以太網交換機解決方案支持真正汽車以太網AVB開發;速銳得科技基于iMX 6開發出V81系列TBOX產品,應用于大量基于庫函數調用、整車控制策略、CAN報文采集與傳輸、5G及車聯網終端;Xilinx與哈曼國際集團公司合作開發了CORETM IP內核適用于現場可編程門陣列(FPGA)平臺;恩智浦推出了面向車載以太網絡收發器TJA1100與以太網絡交換器SJA1105的產品組合,其擁有車載以太網要求的多項硬件功能,符合OPEN聯盟指定的標準;博通公司全新BCM89811物理收發器在信息娛樂系統、高級駕駛人輔助系統、以及遠程信息處理、儀表組、汽車音響主機和中控臺模塊等連接的車載以太網具有廣泛的應用場景;瑞薩的車載信息終端SOC R-CAR 系列,以及車載AV BZ/A 系列等已經實現了對車載以太網AVB的支持。


    五、以太網訪問基本過程

    以太網沒有主從節點的區別,為了協調各個節點通過網絡線路傳輸信息,采用CSMA/CD機制獲得總線使用權,其基本工作過程如下:

    1、一個節點要通過網絡發送數據,首先查看網絡是否“空閑”(網絡中沒有數據在傳的狀態),如果網絡“忙”(網絡中有數據處于傳送狀態),則繼續查詢等待。

    2、到網絡空閑時,該節點開始發送數據。這時,可能有多個節點在等待這個“空閑”時刻,并且一旦“空閑”,便都開始發送自己的數據。

    3、如果發送的節點判斷有“阻礙”,則數據的發送將被中斷,已發數據也會被刪除。經過一個隨機等待后,網絡重新進行一輪的數據發送。

    CSMA/CD網絡訪問方式要求以太網絡的范圍受到一定限制,以控制數據包的最長傳輸時間。數據包參數如下表:

     

    以太網數據包參數:

    序號

    字段名

    長度/B

    作用

    說明

     

    1

    前導碼

    7

    網絡節點保持同步時鐘脈沖

    前導碼和界定符結合具有時鐘同步的作用

    幀起始定界符

    1

    數據包起始標志

    2

    目標地址

    6

    數據接收點的MAC地址


    3

    源地址

    6

    數據發送點的MAC地址


    4

    類型/長度

    2

    以太網數據保重數據的準確長度

    范圍從0-1500

    5

    數據

    46-1500

    數據信息

    當數據少于46字節時需填充

    6

    幀校驗序列

    4

    校驗碼

    用于接收端對數據進行校驗

     

     

    六、基于車載以太網的應用

    汽車生產商開始不斷重視車載以太網應用技術,已經有很多主流汽車生產商加入車載以太網相關標準的制定并促進其普及。

    寶馬X5在連接周邊監控用攝像頭模塊和ECU傳輸影像的路徑采用了可實現100Mbit/s傳輸速率的車載以太網技術,并在連接車載信息終端和中央網關的信息通信系統的傳輸路徑應用以太網。

    豐田制定了基于以太網的車載LAN接口規格,并與瑞薩電子及博通聯手合作,開始開展在實現國際標準化的活動。

    以太網數據傳輸技術中,可用一對UTP(非屏蔽雙絞線)實現100Mbit/s的傳輸速率。物理層用恩智浦TJA1100作為模擬傳輸介質和數據MAC控制器之間的接口,滿足汽車工業EMC需求,可以支持大概到25M的電纜長度,2014款和2015款寶馬X5、2015款捷豹XJ2015款大眾帕薩特就有用到車載以太網技術了。

    車載以太網在高級駕駛輔助系統中應用有效解決了信息傳輸和融合的需求。最新ADAS系統通常采用高速以太網構建數據鏈路,連接多個高動態范圍百萬級像素攝像頭。

    車載設備及裝置之間的通信,主要采用有線車載網絡。根據信息傳輸的不同,采用CAN、LIN、MOST、FlexRay、車載以太網等網絡。某些裝置,由于要實現通信的是相對運動的部件,無法或者不方便直接通過導線連接,就會采用無線傳輸的方式,例如胎壓監測系統。

     

    以上。


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