速銳得車載以太網(wǎng)的信息性能優(yōu)勢硬件及應(yīng)用研究

車載通信技術(shù)的發(fā)展從串行通信，到工業(yè)總線，再到總線網(wǎng)絡(luò)。隨著車載電子控制和信息裝置的增加以及信息服務(wù)需求不斷增加，更高級的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在車上應(yīng)用是必然的，尤其是多媒體信息，以及電子地圖、因特網(wǎng)信息等在車上的應(yīng)用，像CAN這樣的總線已經(jīng)只能滿足部分功能，但難滿足帶寬以及傳輸形式，從現(xiàn)在看來，車載以太網(wǎng)已經(jīng)在各豪華車系隨之落地。

由于以太網(wǎng)技術(shù)的成熟以及廣泛應(yīng)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(dāng)下軟硬件的成本都相對偏大，因?yàn)檐囕d環(huán)境以及車上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求，又和以太網(wǎng)設(shè)計(jì)初衷存在很大差異，在車上使用以太網(wǎng)，就要對其進(jìn)行適當(dāng)修改，既要保持以太網(wǎng)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，又要滿足車輛環(huán)境的要求，這就是所謂的車載以太網(wǎng)。

 圖一：速銳得破解特斯拉以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

速銳得根據(jù)汽車上網(wǎng)絡(luò)通信中不同的數(shù)據(jù)類型及網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸框架，采集車載以太網(wǎng)車載信息通信的數(shù)據(jù)，以特斯拉為例，速銳得已具備特斯拉Model 3網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)及整車電路圖，通過LIN、CAN、CAN-FD及以太網(wǎng)獲取左（L）右（R）車身控制器單元BCM、電機(jī)控制器單元、前車身控制器數(shù)據(jù)，作為整車控制策略數(shù)據(jù)研究、數(shù)據(jù)獲取及采集開發(fā)、教學(xué)，車載網(wǎng)絡(luò)部分3路CAN、4路LIN，雖然不比LBCM（5路CAN、4路LIN）、RBCM（10路CAN、14路LIN（超聲波雷達(dá)占用12路）），算是不少的資源。

一、車載以太網(wǎng)傳輸?shù)男畔?/span>

車上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息類型以及對這些數(shù)據(jù)的使用要求，決定了傳輸網(wǎng)絡(luò)的特性要求，也是車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的選擇或設(shè)計(jì)的依據(jù)，汽車上控制系統(tǒng)及信息系統(tǒng)使用和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為控制命令參數(shù)、安全及輔助駕駛信息數(shù)據(jù)、娛樂信息（多媒體）數(shù)據(jù)、信息服務(wù)類數(shù)據(jù)。

1、控制命令參數(shù)

1）低帶寬的控制應(yīng)用：這些車內(nèi)控制子系統(tǒng)需要的帶寬較低，服務(wù)質(zhì)量要求也不高，包括車內(nèi)那些并不嚴(yán)格要求安全性的控制系統(tǒng)，如電動(dòng)后視鏡折疊及電動(dòng)座椅。

2）實(shí)時(shí)控制應(yīng)用：這些車內(nèi)系統(tǒng)對帶寬的要求相對較低，但要求較高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的，如懸架和制動(dòng)系統(tǒng)、ABS、牽引力控制系統(tǒng)，這些服務(wù)要求質(zhì)量是相對較高的。

2、安全及輔助駕駛信息數(shù)據(jù)

越來越多的現(xiàn)代汽車都配備了許多內(nèi)置的駕駛輔助安全系統(tǒng)，包括使用激光雷達(dá)或者雷達(dá)傳感器自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，倒車?yán)走_(dá)和應(yīng)用紅外線傳感器的夜間行人檢測，這些數(shù)據(jù)會影響駕駛安全，要求高的可靠性和實(shí)時(shí)性。

3、娛樂信息（多媒體）數(shù)據(jù)

除了傳統(tǒng)的信息娛樂系統(tǒng)，車上安裝越來越多的視頻音頻裝置，傳輸?shù)亩际嵌嗝襟w數(shù)據(jù)，要求較高的帶寬，并根據(jù)應(yīng)用的不同，又有較高的服務(wù)質(zhì)量要求，包括一些被動(dòng)安全系統(tǒng)，如給駕駛員看的360全景倒車攝像機(jī)，也包括主動(dòng)安全系統(tǒng)，使用前后光學(xué)攝像機(jī)的車道偏離檢測，這些也是傳輸以太網(wǎng)中傳輸?shù)牡湫托畔?/span>

4、信息服務(wù)類數(shù)據(jù)

信息服務(wù)類數(shù)據(jù)除了傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航的電子地圖數(shù)據(jù)外，隨著車輛與互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔㈩愃频臄?shù)據(jù)量會大量增加，即使在車載環(huán)境中，從用戶使用以及工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的方面，以太網(wǎng)仍然是這些數(shù)據(jù)合適的傳輸網(wǎng)絡(luò)，只不過因?yàn)槟壳霸靸r(jià)和研發(fā)成本過高，沒有大量普及而已。

二、車載以太網(wǎng)的性能

與傳統(tǒng)以太網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境相比，車載系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

1）分布范圍小，密度大。

2）、結(jié)點(diǎn)差異性大，數(shù)據(jù)類型多，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕?shí)時(shí)性、可靠性等需求復(fù)雜，變化范圍寬。

3）、要求行業(yè)技術(shù)以及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)開放、擴(kuò)展靈活。

4）、對硬件技術(shù)指標(biāo)有更高的要求，對成本更為敏感，要考慮以太網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集、維護(hù)、布線和可采集數(shù)據(jù)清單及效率要求。

5）、硬件標(biāo)準(zhǔn)不能太低，要滿足汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對可靠性、使用環(huán)境參數(shù)、電磁兼容性、環(huán)保以及低功耗等方面要求盡量靠前。

三、使用以太網(wǎng)的優(yōu)勢

雖然以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的初衷并不是在車輛環(huán)境應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，但由于其在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)，以及車輛上的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求，使得以太網(wǎng)上車后具有一些其他標(biāo)準(zhǔn)不能比擬的優(yōu)勢，主要有以下幾方面：

1、技術(shù)成熟，軟硬件開發(fā)生產(chǎn)有基礎(chǔ)，可縮短研發(fā)生產(chǎn)周期，提高效率，降低成本。

2、應(yīng)用功能易于與其他系統(tǒng)對接，各種基于網(wǎng)絡(luò)的信息應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品可以移植到車載系統(tǒng)，和裝個(gè)電腦類似。

3、符合車載信息技術(shù)技術(shù)發(fā)展趨勢，以后車聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)，必須依賴以太網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合5G，后續(xù)可以有無窮盡的想象空間。

4、有利于成熟IT技術(shù)進(jìn)入汽車行業(yè)，促進(jìn)車載信息技術(shù)、車輛信息化和智能化發(fā)展。

5、已經(jīng)熟悉以太網(wǎng)的用戶更易于接受基于車載以太網(wǎng)的信息服務(wù)功能和系統(tǒng)。

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

7、支持車載以太網(wǎng)的物理層需求的硬件技術(shù)以及成本已經(jīng)得到了驗(yàn)證，一些車載以太網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證了在車輛上使用以太網(wǎng)構(gòu)建車載網(wǎng)絡(luò)的可行性，例如保時(shí)捷的車載無線終端：

 圖二：保時(shí)捷網(wǎng)關(guān)集成以太網(wǎng)

四、支持車載以太網(wǎng)的硬件

隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在不斷完善相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，支持車載以太網(wǎng)的硬件電路也在不斷被開發(fā)出來。車載以太網(wǎng)的硬件電路也可以分為兩類，一類是車載以太網(wǎng)通信介質(zhì)芯片，一類是支持車載以太網(wǎng)通信協(xié)議的處理器，與一般以太網(wǎng)相比，車載以太網(wǎng)特點(diǎn)是使用及儲存溫度范圍、電磁兼容性等方面符合汽車環(huán)境要求?；趯囕d信息技術(shù)及產(chǎn)品潛在發(fā)展的預(yù)期，不僅傳統(tǒng)的車載電子元器件生產(chǎn)商積極開發(fā)車載以太網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)品，一些屬于網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的企業(yè)也積極加入車載以太網(wǎng)的研究開發(fā)。

 圖三：支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)慕K端（速銳得V81）

邁威爾與麥瑞半導(dǎo)體在2012年就發(fā)布了符合標(biāo)準(zhǔn)的用于車載網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)實(shí)體元件；飛思卡爾推出支持AVB iMX 6系列應(yīng)用處理器，為面向車載信息娛樂系統(tǒng)以及融合車載信息服務(wù)和信息娛樂平臺的設(shè)計(jì)提供了方便，并通過硬件和以太網(wǎng)交換機(jī)解決方案支持真正汽車以太網(wǎng)AVB開發(fā)；速銳得科技基于iMX 6開發(fā)出V81系列TBOX產(chǎn)品，應(yīng)用于大量基于庫函數(shù)調(diào)用、整車控制策略、CAN報(bào)文采集與傳輸、5G及車聯(lián)網(wǎng)終端；Xilinx與哈曼國際集團(tuán)公司合作開發(fā)了CORETM IP內(nèi)核適用于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）平臺；恩智浦推出了面向車載以太網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器TJA1100與以太網(wǎng)絡(luò)交換器SJA1105的產(chǎn)品組合，其擁有車載以太網(wǎng)要求的多項(xiàng)硬件功能，符合OPEN聯(lián)盟指定的標(biāo)準(zhǔn)；博通公司全新BCM89811物理收發(fā)器在信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛?cè)溯o助系統(tǒng)、以及遠(yuǎn)程信息處理、儀表組、汽車音響主機(jī)和中控臺模塊等連接的車載以太網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了對車載以太網(wǎng)AVB的支持。

五、以太網(wǎng)訪問基本過程

以太網(wǎng)沒有主從節(jié)點(diǎn)的區(qū)別，為了協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)線路傳輸信息，采用CSMA/CD機(jī)制獲得總線使用權(quán)，其基本工作過程如下：

1、一個(gè)節(jié)點(diǎn)要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，首先查看網(wǎng)絡(luò)是否“空閑”（網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)在傳的狀態(tài)），如果網(wǎng)絡(luò)“忙”（網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)處于傳送狀態(tài)），則繼續(xù)查詢等待。

2、到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，該節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這時(shí)，可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)在等待這個(gè)“空閑”時(shí)刻，并且一旦“空閑”，便都開始發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

3、如果發(fā)送的節(jié)點(diǎn)判斷有“阻礙”，則數(shù)據(jù)的發(fā)送將被中斷，已發(fā)數(shù)據(jù)也會被刪除。經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)等待后，網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)行一輪的數(shù)據(jù)發(fā)送。

CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)訪問方式要求以太網(wǎng)絡(luò)的范圍受到一定限制，以控制數(shù)據(jù)包的最長傳輸時(shí)間。數(shù)據(jù)包參數(shù)如下表：

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包參數(shù)：

六、基于車載以太網(wǎng)的應(yīng)用

汽車生產(chǎn)商開始不斷重視車載以太網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)有很多主流汽車生產(chǎn)商加入車載以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定并促進(jìn)其普及。

寶馬X5在連接周邊監(jiān)控用攝像頭模塊和ECU傳輸影像的路徑采用了可實(shí)現(xiàn)100Mbit/s傳輸速率的車載以太網(wǎng)技術(shù)，并在連接車載信息終端和中央網(wǎng)關(guān)的信息通信系統(tǒng)的傳輸路徑應(yīng)用以太網(wǎng)。

豐田制定了基于以太網(wǎng)的車載LAN接口規(guī)格，并與瑞薩電子及博通聯(lián)手合作，開始開展在實(shí)現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)化的活動(dòng)。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，可用一對UTP（非屏蔽雙絞線）實(shí)現(xiàn)100Mbit/s的傳輸速率。物理層用恩智浦TJA1100作為模擬傳輸介質(zhì)和數(shù)據(jù)MAC控制器之間的接口，滿足汽車工業(yè)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XJ和2015款大眾帕薩特就有用到車載以太網(wǎng)技術(shù)了。

車載以太網(wǎng)在高級駕駛輔助系統(tǒng)中應(yīng)用有效解決了信息傳輸和融合的需求。最新ADAS系統(tǒng)通常采用高速以太網(wǎng)構(gòu)建數(shù)據(jù)鏈路，連接多個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍百萬級像素?cái)z像頭。

車載設(shè)備及裝置之間的通信，主要采用有線車載網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)信息傳輸?shù)牟煌?，采?/span>CAN、LIN、MOST、FlexRay、車載以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。某些裝置，由于要實(shí)現(xiàn)通信的是相對運(yùn)動(dòng)的部件，無法或者不方便直接通過導(dǎo)線連接，就會采用無線傳輸?shù)姆绞?，例如胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。

以上。