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你以为你开的是车,实际它是个“网”

2019-05-16
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今天,你以为你开的是车,实际上你直接面对的是一个庞复的“网络”——由于汽车中的电子设备越来越多,你在驾驶时发出的一个指令,会先通过复杂的车载网络送达到相应的ECU,经过ECU处理决策后,再将控制信号通过车载网络传输给对应的执行器去实施。


这个复杂的车载网络究竟有多“复杂”?我们可以通过一组数据体会一下:今天一辆低端车的线束系统长度大约1500米,线束大约600根,1200个接点,总重约30公斤;而一辆高端车的线束系统长度会达到5000米,包含约1500根线束, 3000个接点,重量约为60公斤;如果展望一下未来无人驾驶汽车,如沿用目前的车载网路架构体系,其线束系统重量可达100公斤……且这一车载网络是由不同种的总线组成的一个异构系统,不同的总线担负着不同的数据传输职责,构建这样一个车载网络并确保其可靠运行,想想都难!



车载网络进化史


当然,如此复杂的网络系统不是一天形成的。随着汽车中电子设备越来越多,在不同的传感器和ECU之间建立通信链路,让ECU之间共享数据成为刚需,为此人们开始为车载网络物色适合的总线系统。最先进入大家视野的是CAN(控制器局域网络)。CAN总线典型的配置支持多达110个节点和500m的总线长度,传输速率一般为250~500Kbps,其实时性能也能满足大多数车载通信要求,所以目前已经成为车载网络中的主流总线。


但是随着汽车电子化的进一步发展,人们发现对于一些简单的电子系统,用CAN显得有些“奢侈”,于是开始去尝试一种架构更简单、成本更低的总线系统,LIN(本地互连网络)总线应运而生。不过随着CAN的普及和成本快速地下降,LIN想依托低成本构筑竞争壁垒的策略并没有达到预期,但是在一些对实时性和传输速率要求不高的车载电子控制系统中——如一些车身控制功能——LIN还是站稳了脚跟。而且,由于LIN采用的是主从总线架构,可以作为一个低成本的子总线连接到主干总线中,所以在增强车载网络的扩展性和灵活性方面,不失为一种成本效益较高的方案。



如果说在汽车电子发展的“初级阶段”,CAN和LIN等总线解决了“连接”的问题,但很快它们就遇到了带宽的瓶颈——所谓“高速CAN”的传输速率也不过是1Mbps,LIN最多只有区区的19.2bps带宽——特别是当信息娱乐系统成为汽车标配的时候,原有的总线系统就难堪重任了。于是人们专门针对车载信息娱乐这个细分市场开发出了具有高速率、低抖动特性的MOST总线,该总线采用环形拓扑结构,可连接64个节点,支持150Mbps带宽,而且部署简易,满足了售后市场可扩展性的要求。这也算是一个令人满意的解决方案。



当然,随着车载ECU数量越来越多,新的挑战还是接踵而来。就拿应用最为广泛的CAN来说,在新需求面前其难称完美,且短板也日益显现:比如CAN由于采用的是CSMA/CA机制,虽然有利于总线利用率最大化,但是会造成网络延时,所以严格意义上不是一种实时性总线;再如CAN只能采用线型拓扑结构,也给总线架构的灵活性带来局限……


这时,伴随线控技术(X-by-wire)而生的FlexRay总线,引起了人们的关注。FlexRay总线传输速率为5~10Mbps,比CAN高出一个数量级,可以大大缓解人们对带宽的焦虑。同时,FlexRay支持多种拓扑结构,带来更大的灵活性和鲁棒性。最重要的一点是,Flexray使用了TDMA和FTDMA两种方法传输数据——在通信周期的“静态部分”,用TDMA应付需要经常性发送的重要性高的数据;在通信周期的“动态部分”,用FTDMA去发送使用频率不确定、相对不重要的数据。通过这种机制,可以实现更高的实时性。



可见,FlexRay总线招招直指CAN的软肋,所以其也被认为是CAN的最有希望的继任者,成为车载网络的主流总线。然而,FlexRay自身也有一个“硬伤”,那就是“太贵了”!所以即使在发展多年之后,如今只在一些高端车型上才能看到FlexRay的身影,不太接地气。而与此同时,CAN也在标准版本基础上衍生出新规范、新“技能”,比如说具有更高鲁棒性的FTCAN(容错CAN)、速率可达普通CAN总线8倍的CAN FD,以及基于TDMA实时性更佳的TTCAN(时间出发CAN)。


以上就是车载网络总线发展的基本脉络。所以如果今天我们“解刨”一个汽车,在其“身体”内部发现的就是这样一个复杂、异构的车载网络系统。


车载以太网来了



但是“复杂”对于车企来说并不是好事,因为这意味着他们需要维护不同的技术平台,况且随着需求的发展,像以前那样不断在现有网络上“打补丁”,也不是长久之计。因此人们一直在寻找一种简单、标准化、能够满足未来所需的车载网络总线架构。



如果为这种“终极”车载网络总线画个像,它需要满足以下这些要求:

  • 带宽速率足够高;

  • 能满足车载应用实时性、可靠性要求;

  • 支持更多节点互联,支持不同功能域的数据互通;

  • 成本低,更经济;

  • 标准化、应用广,可实现不同供应商和行业间的兼容互通。


按照这个标准去找,似乎只有以太网是合适的“人选”了。将在IT行业成熟技术和生态移植到汽车行业中,实现“车载以外网”,这个想法是非常“迷人”的,况且车载以太网确实显示出了让人刮目相看的实力。



与传统汽车总线中带宽最大的MOST相比,采用环形拓扑的MOST总线是由多个设备共享最大150 Mbps的带宽,而以太网如果采用更为灵活的星形连接架构,每一条链路都可专享100 Mbps。


在成本上,车载以太网除了能够享有标准以太网确立的高性价比资源支持外,还有助于进一步降低生产维护成本。有数据显示,在四代BMW7上通过CAN上传81MB的更新需要10小时,而在第五代BMW7上用车载以太网完成1GB的更新只需20分钟,高下立见。



同时,车载以太网可以为日益复杂、海量的数据传输,提供一种简化和标准化的方法,把车载系统作为一个整体的网络去管理和运营,获得更好的重用性和互操作性。同时,车载以太网标准化和灵活性,的也有助于实现车载网络与外部数据信息的连接,让汽车与外部世界的交互更平滑和高效。


更值得一提的是,在确保实时性性能方面,车载以太网也在稳步推进中,TNS、TTEthernet等技术规范的引入,让车载以太网向最终成为车载总线的“王座”,不断迈进。


未来,“完美”的车载网络究竟会是什么样?我们可以预测一下:车载以太网将成为核心总线,CAN和LIN等传统总线还会在一些子系统中发挥作用,由此构成一个标准、可扩展的车载网络架构——这也将是编织未来自动驾驶梦想的经纬。


安富利

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