石如泉　徐嫚　黃祖朋　謝佶宏　邵杰

摘 要：文章深入分析了傳統(tǒng)汽車的網(wǎng)絡(luò)總線類型以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合未來汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)，在傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的高帶寬、快速、極簡(jiǎn)的環(huán)形以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適應(yīng)了未來汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 總線 以太網(wǎng) 域控制器

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)的新興科技產(chǎn)品不斷推出，人們對(duì)于日常使用的產(chǎn)品的性能要求也越來越高。汽車，作為人們出現(xiàn)的基本工具，人們?cè)缫巡粷M足于其最原始的單單行駛的這一功能，而是提出了智能化、網(wǎng)聯(lián)化的智能移動(dòng)空間等更高的需求。為了跟上人們的需求節(jié)奏，汽車行業(yè)必須進(jìn)行各種技術(shù)革新，而車載網(wǎng)絡(luò)的革新則是關(guān)鍵的一環(huán)。

眾所周知，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的前提是大量電子器件的廣泛應(yīng)用，而大量電子器件的廣泛應(yīng)用會(huì)使傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面臨著諸多問題，主要表現(xiàn)為：1）傳統(tǒng)CAN總線在帶寬上不能滿足智能駕駛、影音娛樂等使用場(chǎng)景的需求;2）汽車傳感器和控制器的應(yīng)用越來越多，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)越來越復(fù)雜，導(dǎo)致總線負(fù)載率過高，降低了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性，威脅行駛安全;3）產(chǎn)品軟件更新迭代快，面對(duì)動(dòng)則數(shù)個(gè)吉字節(jié)大小的軟件更新包，傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法支持實(shí)現(xiàn)OTA升級(jí)。

為了解決上述傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中存在的問題，本文提出了一種新型的環(huán)形以太網(wǎng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以滿足汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展需求，推動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展。

2 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)介紹

將汽車上所有電子的傳感器、執(zhí)行器以及電子控制單元進(jìn)行有效連接，構(gòu)成的通信形式稱之為汽車網(wǎng)絡(luò)。汽車功能的復(fù)雜程度與汽車上ECU（電子控制單元）的使用數(shù)量成正比，汽車功能簡(jiǎn)單則ECU的數(shù)量就少，并且通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行通信即可滿足要求;當(dāng)汽車的功能變得復(fù)雜時(shí)，ECU的數(shù)量會(huì)相應(yīng)增多，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式已無法滿足汽車通信要求，需要采用其它的通信方式。其中，CAN和LIN車載網(wǎng)絡(luò)在汽車中的應(yīng)用最為頻繁，MOST和FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)則大多應(yīng)用于高端汽車中。根據(jù)傳輸類型之間存在的差異，可以將車載總線分為CAN、LIN、FlexRay以及MOST四種。

2.1 CAN總線

在以上4種傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)總線中，CAN總線是應(yīng)用最廣泛的車載總線，能夠?qū)ζ嚨碾娮硬考?、發(fā)動(dòng)機(jī)以及底盤等進(jìn)行有效地電子控制，對(duì)于錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)和其他智能化的處理機(jī)制都比較可靠，可以傳輸8 Byte數(shù)據(jù)，并且其成本還相對(duì)較低。然而，CAN總線的帶寬最高限值只有1Mb/s，隨著ECU的增加，CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜，一些只能在高帶寬下才能使用的功能無法在該架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。

2.2 LIN總線

LIN總線是一種低成本和低速率的主從式串行通信總線，往往使用于電動(dòng)門窗、電動(dòng)天窗以及座椅調(diào)節(jié)等傳感器信號(hào)采集這種不需要使用CAN總線帶寬和多功能的場(chǎng)合，其對(duì)CAN總線通信具有一定的補(bǔ)充作用。

2.3 FlexRay總線

FlexRay是一種以時(shí)間戳協(xié)議為基礎(chǔ)的高性能、高可靠性的實(shí)時(shí)總線，其最大特點(diǎn)是傳輸精確、快速，數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)地址只需要1μs，在對(duì)安全實(shí)時(shí)性具有高要求的線控轉(zhuǎn)向和線控剎車方面有著廣泛的應(yīng)用。

2.4 MOST總線

MOST則是一種面向媒體系統(tǒng)的傳輸總線，在導(dǎo)航和CD等娛樂系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。MOST的傳輸介質(zhì)主要為光纖，但是傳輸?shù)目煽啃院艿汀?/p>

3 環(huán)形以太網(wǎng)模型

3.1 以太網(wǎng)介紹

以太網(wǎng)承擔(dān)了對(duì)汽車大數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)淖饔?，是汽車智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展的關(guān)鍵路徑，也是未來電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架發(fā)展的必然趨勢(shì)。在環(huán)形以太網(wǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中，主網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)，子網(wǎng)絡(luò)則為娛樂系統(tǒng)和輔助駕駛系統(tǒng)，這二者具有傳統(tǒng)動(dòng)力底盤以及車身舒適系統(tǒng)的所有性能。在輔助駕駛系統(tǒng)中，因?yàn)橐獙?duì)駕駛?cè)藛T的狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè)，所以需要使用以太網(wǎng)對(duì)高清的攝像頭以及高精度雷達(dá)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。對(duì)于車輛的行駛狀態(tài)、路標(biāo)的設(shè)置以及雷達(dá)數(shù)據(jù)等與車輛行駛相關(guān)的數(shù)據(jù)，也可以通過以太網(wǎng)傳輸?shù)皆贫?。在娛樂系統(tǒng)中，以太網(wǎng)的主要作用是對(duì)語音視頻等影音數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。對(duì)于娛樂設(shè)施的管理和使用，可以輔助于無線網(wǎng)絡(luò)以及藍(lán)牙，給乘客帶來更加舒適完美的體驗(yàn)效果。

3.2 需求分析設(shè)計(jì)

基于引言提出的傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)存在的問題，環(huán)形以太網(wǎng)模型可以完美地將其解決：1）環(huán)形以太網(wǎng)通信帶寬可達(dá)到1000Mb/s，完全滿足當(dāng)前汽車智能駕駛、影音娛樂等高帶寬的要求;2）環(huán)形以太網(wǎng)模型是一種采用了域控制器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過控制器上移集中，能夠?qū)⒖刂破鳒p少到五個(gè)以內(nèi)，架構(gòu)可以做到極簡(jiǎn)（圖2）;3）車載TBOX接收來自云端的OTA更新包，然后再通過高帶寬的以太網(wǎng)導(dǎo)入車載控制器，可快速完成OTA升級(jí)（圖2）。

3.3 環(huán)形以太網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般可以將汽車分為車身總線、底盤總線和整車總線。隨著用戶對(duì)車輛功能需求的增加，一些車輛還會(huì)新增影音娛樂總線和智能駕駛總線。本文參照傳統(tǒng)車的架構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了一種基于域控制器的以太環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1）車身域控制器：將傳統(tǒng)車身總線上的控制器集成在車身域控制器上，各傳感器與車身域控制器通過CAN線連接，域控制器直接控制儀表、門窗、空調(diào)等。影音娛樂的設(shè)備（如平板手機(jī)等）直接通過無線以太網(wǎng)連接車載TBox接入整車網(wǎng)絡(luò)，從而與車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互（控制門窗空調(diào)等）。

2）整車域控制器：將傳統(tǒng)的整車總線上的控制器集成到整車域控制器上，各傳感器與整

車域控制器通過CAN線連接，域控制器直接對(duì)電機(jī)和電池進(jìn)行控制。

3）智能駕駛控制器：除將傳統(tǒng)底盤總線的控制器集成在智能駕駛控制器上外，還集成了智能駕駛總線上的控制器，這兩個(gè)總線上所有傳感器通過CAN線連接域控制器，對(duì)帶寬需求大的傳感器使用以太網(wǎng)連接（攝像頭、雷達(dá)等）。

4）環(huán)形以太網(wǎng)絡(luò)：各域控制器之間使用以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，例如車身域控制器可以通過環(huán)網(wǎng)獲取智能駕駛域控制器的攝像頭信息，將攝像頭的影像信號(hào)傳遞給影音娛樂設(shè)備上。

與傳統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，基于以太網(wǎng)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）控制器上移集中，從原來的幾十個(gè)減少至五個(gè)以內(nèi)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、減少線束成本;2）高帶寬低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)通訊，滿足了車輛智能化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化的通訊需求;3）以太網(wǎng)接入云端，各域控制器可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)OTA;4）生態(tài)開放，車載娛樂設(shè)備可直接通過TBox無線接入整車以太網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

隨著汽車技術(shù)不斷向智能化、和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，車輛集成的功能在不斷地增加和優(yōu)化，促使了車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)的不斷進(jìn)步。本文基于對(duì)傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的深入研究分析，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，提出了一種新型的環(huán)形以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，滿足了汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的更高要求。可以預(yù)見在不久的將來，基于域控制器的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

基金項(xiàng)目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018AD20501）

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