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汽车以太网技术和协议概述

发布日期:2020-05-02

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-05-02 21:06:19

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随着近来自动驾驶汽车和互联汽车的兴起,这些技术在汽车基础设施内进行适当的通信至关重要。如果没有所需的带宽和最小的延迟,这些新兴技术将没有支持这些更大挑战的基础架构。汽车以太网正在成为解决这些局限性的**者,并将许多汽车消息传递协议整合为一个以降低汽车重量和降低制造成本。本文概述了汽车以太网,实现它的原因,它要替换的东西,它是如何替换的以及可能的不足和替代方案。


  1. 简介


汽车行业正面临着新技术的巨大变化,从无人驾驶汽车到高级驾驶员辅助。所有这些新技术的共同主题是带宽。以前,应用程序是专门针对特定用途和特定于汽车的应用程序,它们仅发送很小的数据包,不需要太多的网络处理即可完成-范围为kbps。现在,许多新的和即将到来的技术需要数百Mbps甚至数十Gbps。业界需要为这些新技术甚至未来的发展提供连接性和灵活性。


这就是汽车以太网的用武之地。通过对计算机和家庭中使用的传统以太网进行一些更改,汽车可以获得所需带宽和低延迟,这是自动驾驶等先进技术所需的。除了增加连接性的推动,一个统一的布线系统将大大减少现有的布线。图1显示了一辆汽车的接线系统示例。物理布线和线束构成了汽车中仅次于发动机和底盘的第三重,最昂贵的部件,占制造劳动力成本的50%。预计汽车以太网将减少30%的布线重量和80%的人工成本[IEEE802.3]。



图1:汽车的典型线束。

来自:http://delphi.com/news/pressReleases/pressReleases_2011/pr_2011_06_07_001/


2.当前对汽车电子的需求


现代汽车的多个领域需要不同的技术标准,才能正确有效地运行。身体上的设备可能不需要那么高的延迟要求或带宽,但是动力总成组件通常不需要发送那么多数据(需要更少的带宽),但对延迟的要求却非常严格,因为该部分的时间延迟很小可能会导致事故。。另一方面,其他驾驶员辅助和信息娱乐设备需要大量带宽才能进行多媒体传输,但是短暂的短暂延迟损失将不那么严重。本节将简要介绍这些领域以及它们包括的组成部分。


2.1动力总成和底盘

动力总成和底盘区域是一组组件,包括发动机,变速箱,驱动轴和车轮-汽车的核心部件,可使其沿着道路行驶。这也说明了将组件以及许多其他传感器保持在一起的物理支撑结构。这些传感器可以测量各种物品的流量,压力,速度,扭矩,角度,体积,位置和稳定性,以发送控件来改善行驶,减少污染,提高效率并提高安全性。


动力总成计算机需要控制读取传感器的计时,需要快速控制各种控制系统,并且需要微秒级的低延迟以避免驾驶员的危险情况。与动力总成相似,底盘的传感器和控件具有精确的时序要求,并且具有最大的延迟。通过这些系统中的每个系统的信号通常不是很大,因为它们通常是模拟读数,但是需要严格的时序准则[Ixiacom14]。


2.2身体和驾驶员舒适度

汽车的内部包括暖气和空调,座椅控制装置,车窗控制装置和照明装置。这些控件和传感器通常需要低带宽,并且可以处理高延迟(毫秒),因为它们不像动力总成和底盘那样对汽车行驶至关重要。汽车制造商通常会为这些组件选择更轻便,低成本的解决方案。


驾驶员协助和信息娱乐


驾驶员辅助和信息娱乐系统是其他系统,尽管对汽车的功能不是至关重要,但可以增加安全性,娱乐性和指导性。这组组件非常广泛,可以包括许多具有单独的延迟和带宽要求的设备。


驾驶员辅助系统可以具有特殊的传感器,控制器和计算机,以为驾驶员增加额外的安全功能。这些系统可以是任何类型,从自动制动到盲点监控,都需要大量的计算能力,非常高的带宽-有时会发送完整的视频供备用摄像机使用-且延迟通常在几毫秒内。


信息娱乐系统仅用于驱动程序功能,但仍然具有很高的带宽要求。这是因为车载Wi-Fi和其他“联网汽车”功能变得越来越流行,并且必须达到与其他日常设备相当的速度,以便驾驶员能够享受全部功能。


这个领域是一个稳步发展的行业,并且是高带宽汽车以太网的主要支持者之一,特别是随着自动驾驶等技术的兴起。但是在研究汽车以太网的工作原理之前,重要的是要了解行业中目前使用的技术以及可以替代的技术。


3.过去和当前的汽车通讯方案


随时可以在汽车内使用许多不同的协议。某些汽车部件具有自己的专用协议或已建立协议的特定附加组件。最重要的是,不同的汽车零部件制造商可以为其设备使用自己的专有标准,从而使其与其他网络不兼容。汽车以太网的主要推动力之一是将许多这些不同的协议和网络统一到一个单线系统中。


3.1 CAN

控制器局域网(CAN)是专为汽车行业设计的多主机串行通信协议。尽管CAN的速度相对较低,为1 kbps-1Mbps,但CAN是当今车辆中最常用的协议。其主要目的是将多个电子控制单元(ECU)连接在一起,以允许它们之间进行通信并共享对汽车功能至关重要的信息。


从物理上讲,CAN总线由两个或多个ECU或其他节点组成,其接口支持通过两线系统连接的CAN。电线差分对被指定为“高”线和“低”线,并在端部与端接电阻器相连,这些端接电阻器在不驱动电线时将电线恢复为公共电压。与发送0或1的位相反,分别发送“显性”或“隐性”。如果该节点希望发送逻辑0或优势信号,则驱动两条线路以增加它们之间的差分电压;如果不希望发送逻辑0或优势逻辑,则驱动两条线路以增加它们之间的差分电压。否则,如果该节点希望发送逻辑1或隐性信号,则该节点不驱动任何一条线路,这会导致端接电阻器将该对恢复为公共电压-差分电压为0V。稍后将显示这对于消息优先级很有用[BOSCH91]。图2显示了具有多个ECU节点的示例CAN总线网络拓扑。


图2:CAN网络拓扑。


CAN协议具有许多特性,使其具有重量轻但结构坚固的特点。其中一些包括:消息优先级,保证等待时间的能力,灵活的配置,多播接收(使用时间同步)以及错误检测和信令。消息优先级是通过每个消息中的11位标识符来处理的,该标识符不一定与特定的发送者或接收者相对应,但本质上会考虑到消息的优先级,而高优先级与更高的“主导”标识符相关。如果同时发送多个消息,则主要消息将通过电线发送,其他消息稍后将使用具有冲突解决方案的载波侦听多路访问进行重复。如果检测到错误,则节点可以发送带有相应消息标识符的错误帧,以信号通知已发送的节点。CAN总线协议非常灵活,因为任意数量的节点都可以连接到总线,并且可以发送2 ^ 11个不同的消息[BOSCH91]。


CAN系统的主要缺点之一是其速度和数据包大小。在1 kbps到1 Mbps的数据大小为0-8字节的情况下,这足以满足某些轻量级应用的需求,但稳定地证明不足以满足汽车工业中的新技术。这是汽车以太网正在努力克服的问题。


3.2 FlexRAY

FlexRAY是整个汽车中使用的另一种非常常见的标准化协议。它可以使用时分多址访问,通过总线,星形或混合网络拓扑中的一根或两根非屏蔽双绞线电缆传输数据,从而允许一通道或两通道配置。尽管价格稍贵,但FlexRAY经常用于高性能动力总成,安全性和主动底盘控制应用,因为它一次可传输多达254个字节-比CAN协议[NI19]高得多的有效负载。


当然可以用汽车以太网代替该系统。一旦汽车以太网上的更高数据速率标准化并由制造商使用,这样做将减少FlexRAY,CAN和本地互连网络(LIN)之间的重复布线。


3.3LIN

LIN是CAN总线网络的一种非常便宜的替代方案。LIN是一个串行单向广播系统,由一个主节点和最多十五个从属节点组成。每个从节点在通过单线系统发送的数据中侦听特定的消息标识符。该网络的应用通常仅限于车体内的小型电动机,传感器和控件,因为它的成本较低且带宽较低。这些网络的主节点将能够连接到已实现的以太网系统,以提供更多的诊断控制并替换与CAN总线的常规连接。


3.4MOST

面向媒体的系统传输(MOST)是一个同步的汽车网络系统,主要用于发送多媒体包,例如音乐,后备摄像头或信息娱乐系统。MOST可以通过光纤发送25个高达150 Mbps的数据,而几乎没有开销和时序问题。通过在所有物理节点上通过共享环形拓扑结构将所有节点与光纤相连,包括控制时钟频率和数据速度的定时主机,并组织哪些发送方和接收方可以在哪些通道上进行通信,可以在物理层上完成此操作。


目前,MOST只是由1998年成立的MOST合作社管理的专有解决方案。从奥迪到哈曼国际机场的这组公司为汽车行业定义,采用和标准化了广泛使用的多媒体网络。[MOST]。


由于MOST是完整的网络协议,因此汽车以太网可能会减少或取代光纤物理层拓扑。实际上,MOST150(150 Mbps标准)包括通过集成除包含的控制消息通道,流数据通道和分组数据通道之外的单独的以太网通道来使用以太网的规定。


3.5 LVDDS,CML

低压差分信号(LVDS)和电流模式逻辑(CML)是两个物理层,在汽车工业中用于以1-4 Gbps的高速传输多媒体数据包。尽管这些系统具有很高的速度,但它们通常无法走很长的距离,并且通常仅在主显示控制台屏幕内使用。其中许多产品也是由不同的制造商制造和销售的,从而导致不同的产品不兼容。尽管汽车以太网可能不会很快取代这些物理层,但是出现的越来越快的实现方式可能会改变这一点。


4.以太网在汽车中的实现


尽管到目前为止,它们已经主导了汽车制造业,但其他串行总线协议仍然存在局限性,即汽车以太网计划克服这些限制。例如,车道检测和其他驾驶员辅助应用所需的LIDAR传感器仅对于一个传感器就需要70 Mbps的连接[Schwartzberg19]。对于某些运行速度低于或达到100 Mbps的系统,这将引起实际问题,因为不可能拥有比该传感器大得多的传感器。汽车以太网的**实现将解决此问题。


4.1最近出现的旧技术

经典以太网已经在计算机中使用了数十年,并且在汽车行业中已有一些先前的应用,因此很容易想知道为什么它现在重新出现。毕竟,以太网是一种可以满足许多延迟和带宽要求的有线网络。问题主要是与电磁干扰(EMI)有关,给系统增加了很多噪声。


汽车以太网的专有解决方案采用Broadcom的BroadR-Reach形式。这是一个100 Mbps以太网协议,使用了1 Gbps以太网的技术,但降低了66 MHz的频率以降低EMI。BroadR-Reach(后来称为100BASE-T1)具有回声消除功能,使节点可以在线路上双向传输,错误更少或丢失数据包[Broadcom14]。


100BASE-T1主要用于通过外部端口进行诊断测试和固件更新。这将通过以太网连接到主网关,然后连接到使用FlexRAY或CAN实现的单独的动力总成和底盘系统,再连接到使用CAN或LIN配置的车身电子设备,以及可能的MOST信息娱乐和驾驶员辅助系统[Keysight18]。然后决定,应该对以太网进行进一步的研究以具有更高的比特率IEEE标准。图3给出了汽车以太网的示例拓扑,将拓扑从最初的诊断设置与更全面的系统进行了比较。


图3:汽车以太网的发展。

来自:http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3430EN.pdf


4.2 AUTOSAR

汽车开放系统架构(AUTOSAR)是由汽车制造商和供应商开发和标准化的软件架构,用于为汽车内部实现TCP / IP协议栈的形式。该架构计划在所有ECU上运行。


已经对软件体系结构进行了标准化的公司希望通过对所有人开放该标准并减少公司之间重复研究与开发的需求,在汽车行业进行更多的创新。


4.3OPEN

One-Pair Ether-Net (OPEN)是汽车和汽车技术行业内的公司联盟,其主要目标是在汽车网络中进一步研究和应用基于以太网的网络。他们与IEEE一起帮助指定并部署了100BASE-T1、1000BASE-T1和1000BASE-RH物理层以用于汽车以太网。他们为从线束到开关再到ECU本身的整个以太网系统测试制定了标准。OPEN是寻求汽车以太网[OPEN]的公司的主要联盟。


4.4 Time Sensitive Networking

车内有多个传感器,它们在不同的时间以不同的速率采集数据。某些功能和内部诊断需要精确的时序计算才能正常运行,但是由于有如此多的ECU和其他微控制器,很难获得非常精确的时序。决定将用于桥接局域网中时间敏感应用的IEEE 802.1AS定时和同步作为汽车以太网[Ixiacom14]中同步定时的标准。


除了获得准确的时间戳记之外,某些系统还要求及时传输这些传感器读数。计算和后续控制操作需要在几毫秒(有时甚至几微秒)内完成才能正确执行。IEEE 802.3br散布的快速通信提出了将“快速”数据包提议到以太网中的方法。这些数据包将能够中断当前传输的低优先级数据包,这些数据包对时间不敏感。Express数据包发送完毕后,较低优先级的数据包可以再次恢复[Keysight18]。这些时间同步标准最近已从IEEE 802.3br-2016合并为IEEE 802.3-2018 [IEEE802.3br]。


Time Sensitive Networking 时间敏感网络的特定子集是AV桥接(AVB)。AVB是IEEE制定的标准,不仅为汽车,还为许多不同类型的多媒体传输设置了软实时系统规范。诸如自动驾驶和驾驶员辅助之类的汽车技术需要可靠且低延迟的LIDAR和视频流,这些流还具有足够的带宽以支持所拍摄的高分辨率图像。IEEE已在IEEE 1722的桥接局域网中的时间敏感应用的第2层传输协议中对该传输进行了标准化[Grai15]。



4.5 IP诊断

汽车以太网最初开始是使用100BASE-T1(最初是BroadR-Reach)的诊断工具。此功能仍将包含在以太网的其他版本[IEEE802.3bw-2015]中。ISO 13400是汽车行业采用的官方标准,用于从汽车中的计算机读取诊断数据并更新汽车中的固件。该协议运行在TCP / IP上,并用于专用的诊断以太网连接(如图4所示)以及无线系统(例如通用汽车公司的OnStar)上。


图4:OBD-II汽车诊断端口。

来自:http://www.thinkrace.com/where-to-place-obd-car-gps-tracker-in-your-car/


5.新兴技术


研究人员和制造商一直在努力开发能够改善我们生活的新技术,这在汽车行业也不例外。随着汽车以太网的兴起,重要的是要了解它还会影响哪些其他技术。


5.1自动驾驶汽车

多家大型公司正在投资研发无人驾驶汽车或自动驾驶汽车,因此了解它们是什么以及汽车以太网将如何推动这项技术至关重要。这些汽车能够通过结合雷达,激光雷达,GPS和其他传感器来感知周围环境,并利用这些数据和大量计算来确定汽车最安全的行驶路线,而无需驾驶员做任何事情。


这项技术一旦得到全面开发,就可以提高驾驶员和乘客的安全性,减少交通流量,并提高整体舒适度,因为它可以使驾驶员有时间在汽车自行导航时放松或执行其他任务。


Waymo是从事这些汽车研究的多家公司之一,该公司归Google所有,已经行驶了30,000多英里[Waymo]。图4显示了这样的汽车,克莱斯勒Pacifica小型货车,带有大量视频和LIDAR摄像机。


图5:Waymo完全自动驾驶的克莱斯勒Pacific Hybrid Minivan

来自:https://www.wired.com/story/uber-waymo-trial-settlement-self-driving-cars/


自动驾驶需要从高分辨率传感器生成,发送,接收和处理大量数据,而正确导航将需要这些数据,更不用说这些传感器的实际数量的增加了。最重要的是,不同级别的自动驾驶车辆包括不同数量的传感器,并且可能也可能不包括车辆到车辆(V2V)无线通信或车辆到基础设施通信。由于所有这些数据都是在汽车中生成和发送的,因此像汽车以太网这样的短时延,高速,可靠的网络必须成为汽车的骨干。


5.2启用蜂窝/ Wi-Fi的汽车

1996年,通用汽车与摩托罗拉合作提供了OnStar,这是第一个联网汽车系统,该系统可以使驾驶员在发生事故或其他紧急情况时连接到紧急呼叫中心。这是在手机普及之前的时间,它减少了急救人员的响应时间,从而减少了进一步受伤或死亡的可能性。最终,更多的技术将被添加到OnStar中,例如GPS定位,但其他无线系统紧随其后。2014年夏天,奥迪是第一家提供4G LTE Wi-Fi热点接入的汽车制造商,而4G LTE的首次大规模部署是由通用汽车公司(Schwartzberg19)。


随着越来越多的汽车(包括Wi-Fi和Internet访问),需要更快,更可靠的无线系统。汽车以太网将有助于提供宽带宽和低延迟的网络,同时还将继续为汽车的其余系统提供服务。


5.3 V2V通讯

虽然自动驾驶可能依赖于车辆到车辆(V2V)的通信在将来正常运行,但在此之前V2V网络可能会变得有用。每辆汽车将能够与另一辆汽车无线通信有关其自身速度和周围其他车辆位置的信息。这项技术可以警告驾驶员前方停电的电力线,驶向车道的其他车辆,前方拥挤的交通等等[NHTSA18]。


随着这项技术的发展,汽车以太网将是必要的,以便为传输到其他车辆的无线通信器提供低延迟,高吞吐量的系统。但是,这项技术高度依赖于实施该技术的汽车数量。否则将不会进行双向通讯。


6.总结


已经显示出,汽车工业中的当前联网策略对于自动驾驶和其他未来技术是不够的。需要可靠,更快的协议来支持技术所需的高分辨率。汽车以太网正在通过OPEN和IEEE等联盟来满足这一需求。在支持汽车技术行业当前和未来的创新方面已取得进展。


作者:凯文·范克莱夫Kevin Van Cleave (在Prof. Raj Jain拉杰·贾恩教授的指导下写的论文)




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