速锐得车载以太网的信息性能优势硬件及应用研究

Posted 2021-02-28

车载通信技术的发展从串行通信，到工业总线，再到总线网络。随着车载电子控制和信息装置的增加以及信息服务需求不断增加，更高级的计算机网络在车上应用是必然的，尤其是多媒体信息，以及电子地图、因特网信息等在车上的应用，像CAN这样的总线已经只能满足部分功能，但难满足带宽以及传输形式，从现在看来，车载以太网已经在各豪华车系随之落地。
由于以太网技术的成熟以及广泛应用，人们自然会想到把它用到车上去满足这部分需求，只是当下软硬件的成本都相对偏大，因为车载环境以及车上网络数据传输需求，又和以太网设计初衷存在很大差异，在车上使用以太网，就要对其进行适当修改，既要保持以太网的优势和特点，又要满足车辆环境的要求，这就是所谓的车载以太网。

图一：速锐得破解特斯拉以太网数据

速锐得根据汽车上网络通信中不同的数据类型及网络通信的传输框架，采集车载以太网车载信息通信的数据，以特斯拉为例，速锐得已具备特斯拉Model 3网络拓补及整车电路图，通过LIN、CAN、CAN-FD及以太网获取左（L）右（R）车身控制器单元BCM、电机控制器单元、前车身控制器数据，作为整车控制策略数据研究、数据获取及采集开发、教学，车载网络部分3路CAN、4路LIN，虽然不比LBCM（5路CAN、4路LIN）、RBCM（10路CAN、14路LIN（超声波雷达占用12路）），算是不少的资源。

一、车载以太网传输的信息
车上传输的数据信息类型以及对这些数据的使用要求，决定了传输网络的特性要求，也是车载网络标准的选择或设计的依据，汽车上控制系统及信息系统使用和传输的数据可以分为控制命令参数、安全及辅助驾驶信息数据、娱乐信息（多媒体）数据、信息服务类数据。
1、控制命令参数
1）低带宽的控制应用：这些车内控制子系统需要的带宽较低，服务质量要求也不高，包括车内那些并不严格要求安全性的控制系统，如电动后视镜折叠及电动座椅。
2）实时控制应用：这些车内系统对带宽的要求相对较低，但要求较高、实时性强的，如悬架和制动系统、ABS、牵引力控制系统，这些服务要求质量是相对较高的。
2、安全及辅助驾驶信息数据
越来越多的现代汽车都配备了许多内置的驾驶辅助安全系统，包括使用激光雷达或者雷达传感器自适应巡航控制系统，倒车雷达和应用红外线传感器的夜间行人检测，这些数据会影响驾驶安全，要求高的可靠性和实时性。
3、娱乐信息（多媒体）数据
除了传统的信息娱乐系统，车上安装越来越多的视频音频装置，传输的都是多媒体数据，要求较高的带宽，并根据应用的不同，又有较高的服务质量要求，包括一些被动安全系统，如给驾驶员看的360全景倒车摄像机，也包括主动安全系统，使用前后光学摄像机的车道偏离检测，这些也是传输以太网中传输的典型信息
4、信息服务类数据
信息服务类数据除了传统的定位导航的电子地图数据外，随着车辆与互联网的连接以及获取信息能力上和上传信息能力的提高，这些与传统互联网络传输的信息类似的数据量会大量增加，即使在车载环境中，从用户使用以及工业技术基础的方面，以太网仍然是这些数据合适的传输网络，只不过因为目前造价和研发成本过高，没有大量普及而已。

二、车载以太网的性能
与传统以太网应用环境相比，车载系统具备以下特点：
1）分布范围小，密度大。
2）、结点差异性大，数据类型多，对数据传输的带宽、实时性、可靠性等需求复杂，变化范围宽。
3）、要求行业技术以及设备标准化，结构开放、扩展灵活。
4）、对硬件技术指标有更高的要求，对成本更为敏感，要考虑以太网数据应用中数据采集、维护、布线和可采集数据清单及效率要求。
5）、硬件标准不能太低，要满足汽车行业标准，对可靠性、使用环境参数、电磁兼容性、环保以及低功耗等方面要求尽量靠前。

三、使用以太网的优势
虽然以太网设计的初衷并不是在车辆环境应用的网络，但由于其在计算机网络领域的技术和应用基础，以及车辆上的技术发展和应用需求，使得以太网上车后具有一些其他标准不能比拟的优势，主要有以下几方面：
1、技术成熟，软硬件开发生产有基础，可缩短研发生产周期，提高效率，降低成本。
2、应用功能易于与其他系统对接，各种基于网络的信息应用技术和产品可以移植到车载系统，和装个电脑类似。
3、符合车载信息技术技术发展趋势，以后车联网及物联网的互联，必须依赖以太网技术，结合5G，后续可以有无穷尽的想象空间。
4、有利于成熟IT技术进入汽车行业，促进车载信息技术、车辆信息化和智能化发展。
5、已经熟悉以太网的用户更易于接受基于车载以太网的信息服务功能和系统。
6、有利于车辆智能化和各种基于信息技术的车辆安全技术的推广，从此开启软件定义汽车的时代。
7、支持车载以太网的物理层需求的硬件技术以及成本已经得到了验证，一些车载以太网系统的应用验证了在车辆上使用以太网构建车载网络的可行性，例如保时捷的车载无线终端：

图二：保时捷网关集成以太网

四、支持车载以太网的硬件
随着车载以太网技术的发展，在不断完善相关协议标准的同时，支持车载以太网的硬件电路也在不断被开发出来。车载以太网的硬件电路也可以分为两类，一类是车载以太网通信介质芯片，一类是支持车载以太网通信协议的处理器，与一般以太网相比，车载以太网特点是使用及储存温度范围、电磁兼容性等方面符合汽车环境要求。基于对车载信息技术及产品潜在发展的预期，不仅传统的车载电子元器件生产商积极开发车载以太网技术及产品，一些属于网络行业的企业也积极加入车载以太网的研究开发。

图三：支持以太网数据采集和传输的终端（速锐得V81）

迈威尔与麦瑞半导体在2012年就发布了符合标准的用于车载网络的以太网实体元件；飞思卡尔推出支持AVB iMX 6系列应用处理器，为面向车载信息娱乐系统以及融合车载信息服务和信息娱乐平台的设计提供了方便，并通过硬件和以太网交换机解决方案支持真正汽车以太网AVB开发；速锐得科技基于iMX 6开发出V81系列TBOX产品，应用于大量基于库函数调用、整车控制策略、CAN报文采集与传输、5G及车联网终端；Xilinx与哈曼国际集团公司合作开发了CORETM IP内核适用于现场可编程门阵列（FPGA）平台；恩智浦推出了面向车载以太网络收发器TJA1100与以太网络交换器SJA1105的产品组合，其拥有车载以太网要求的多项硬件功能，符合OPEN联盟指定的标准；博通公司全新BCM89811物理收发器在信息娱乐系统、高级驾驶人辅助系统、以及远程信息处理、仪表组、汽车音响主机和中控台模块等连接的车载以太网具有广泛的应用场景；瑞萨的车载信息终端SOC R-CAR 系列，以及车载AV BZ/A 系列等已经实现了对车载以太网AVB的支持。

五、以太网访问基本过程
以太网没有主从节点的区别，为了协调各个节点通过网络线路传输信息，采用CSMA/CD机制获得总线使用权，其基本工作过程如下：
1、一个节点要通过网络发送数据，首先查看网络是否“空闲”（网络中没有数据在传的状态），如果网络“忙”（网络中有数据处于传送状态），则继续查询等待。
2、到网络空闲时，该节点开始发送数据。这时，可能有多个节点在等待这个“空闲”时刻，并且一旦“空闲”，便都开始发送自己的数据。
3、如果发送的节点判断有“阻碍”，则数据的发送将被中断，已发数据也会被删除。经过一个随机等待后，网络重新进行一轮的数据发送。
CSMA/CD网络访问方式要求以太网络的范围受到一定限制，以控制数据包的最长传输时间。数据包参数如下表：

表：以太网数据包参数：
序号 字段名 长度/B 作用 说明

1 前导码 7 网络节点保持同步时钟脉冲 前导码和界定符结合具有时钟同步的作用
帧起始定界符 1 数据包起始标志
2 目标地址 6 数据接收点的MAC地址
3 源地址 6 数据发送点的MAC地址
4 类型/长度 2 以太网数据保重数据的准确长度 范围从0-1500
5 数据 46-1500 数据信息 当数据少于46字节时需填充
6 帧校验序列 4 校验码 用于接收端对数据进行校验

六、基于车载以太网的应用
汽车生产商开始不断重视车载以太网应用技术，已经有很多主流汽车生产商加入车载以太网相关标准的制定并促进其普及。
宝马X5在连接周边监控用摄像头模块和ECU传输影像的路径采用了可实现100Mbit/s传输速率的车载以太网技术，并在连接车载信息终端和中央网关的信息通信系统的传输路径应用以太网。
丰田制定了基于以太网的车载LAN接口规格，并与瑞萨电子及博通联手合作，开始开展在实现国际标准化的活动。
以太网数据传输技术中，可用一对UTP（非屏蔽双绞线）实现100Mbit/s的传输速率。物理层用恩智浦TJA1100作为模拟传输介质和数据MAC控制器之间的接口，满足汽车工业EMC需求，可以支持大概到25M的电缆长度，2014款和2015款宝马X5、2015款捷豹XJ和2015款大众帕萨特就有用到车载以太网技术了。
车载以太网在高级驾驶辅助系统中应用有效解决了信息传输和融合的需求。最新ADAS系统通常采用高速以太网构建数据链路，连接多个高动态范围百万级像素摄像头。
车载设备及装置之间的通信，主要采用有线车载网络?。根据信息传输的不同，采用CAN、LIN、MOST、FlexRay、车载以太网等网络?。某些装置，由于要实现通信的是相对运动的部件，无法或者不方便直接通过导线连接，就会采用无线传输的方式，例如胎压监测系统?。

以上?。?