浅析构建车载以太网技术能力过程

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导读

伴随智能化技术的快速发展,智能网联汽车已成为全球汽车产业的发展重点。智能网联汽车需要可靠、高带宽的车载网络技术及架构来解决大数据传输问题。车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术,可以满足多节点、高负载和响应快等需求。


智能网联汽车是行业转型升级的重要技术创新,行业内各主机厂、产业链内相关企业均投入了大量的人力与物力进行布局与研究,国外新车纷纷开发、搭载智能网联功能。汽车智能化意味着车辆上有更多的摄像头、雷达等传感器及控制器,系统间有着高于传统汽车上百倍的数据需要传输,现有车载网络传输带宽不足的问题凸显,迫切需要下一代廉价、可靠、高带宽的车载网络技术及架构来解决大数据传输问题。车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术,车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率,同时可满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟及同步实时性等方面的要求。


目前车辆使用的总线技术有CAN、LIN、FlexRay、MOST、LVDS及车载以太网等,CAN、LIN传输速率较低,LVDS成本高,FlexRay和MOST应用需要加入标准组织且费用高昂,车载以太网性价比较高。其相关特性对比见表1。车载以太网标准已经形成体系,国外车厂已经有车型实现量产,并且宝马已经采用TSN技术,国内正处于预研和小批量试装的起步阶段,主要集中在以太网的100BASE-T1SOMEIP技术数据传输和100BASE-TXDOIP技术,实现数据传输和诊断刷写功能,TSN技术还未普及。


表 1 车内常用总线特性对比

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车载以太网的意义


目前大部分网络系统架构多采用集成网关或独立网关,通过CAN和LIN通信技术与整车各个控制器进行通信,由于零部件控制信号过多,信号周期过快,带来负载率急剧上升,信号延时增加的问题。同时随着智能网联化的提升,要求整车按照硬件最大化设计,软件不断迭代开发,实现域控制器的功能升级。其中这些零部件内部存储大量的数据、图片等信息,更新软件包大。现有CAN总线最高采用500kbit/s速率进行软件更新,售后软件更新时间极长。迫切需要高速率、高性价比的以太网通信技术来实现零部件的诊断刷新功能。


以太网技术


1.技术原理概述

车载以太网使用一对非屏蔽双绞线电缆,实现全双工传输,数据传输速率可达到100Mbit/s。以太网信号是三电平模拟差分信号。将原始数据,经过UDP/TCP、IP等封装,形成的MAC包,通过MII(MAC与PHY间的数据传输)接口发到PHY,在内部经过DAC,将数字信号调制并转换成PAM-3调制过的模拟信号放到MDI(两个车载以太网设备之间数据传输)差分线上,发送到对端的PHY。


2.车载以太网网络架构搭建

基于整车功能需求、功能规范,进行功能应用场景分析。梳理具体使用以太网传输的功能及其应用场景,初步规划采用的协议架构。针对需要开发以太网的潜在供应商进行调研,分析供应商开发能力,现有产品硬件平台对以太网接口的支持程度,分析现有产品支持的上层协议栈开发情况,评估供应商开发经验和开发实力,了解开发周期和开发费用。便于辅助以太网协议框架制定,辅助通信诊断方案确定,同时也为供应商定点提供参考。


浅析构建车载以太网技术能力过程

图 网络协议架构


3.车载以太网方案

根据以太网需求分析和供应商调研结果,制定以太网系统的通信诊断方案。如基于实现DoIP的以太网刷写和诊断的功能要求,确定以太网协议框架如图所示,确定整车诊断连接方式、整车诊断接口插接件布置方式、诊断激活方案、诊断设备对车内控制器的诊断方式及以太网网络拓扑定义等。


4.车载以太网协议规范制定

根据以太网通信诊断协议要求,编制以太网通信需求规范。在参考国际标准、行业标准的基础上,对现有标准进行全新开发或适应性裁剪,编制符合量产要求的相关需求方案。例如车载以太网线束设计规范:包括以太网线束要求、对插件要求、以太网通信线在整车布置中的要求及以太网通信线防护方面的要求等;车载以太网物理层设计规范:基于IEEE802.3bw等协议标准,明确接口电路、pin布置及插接件等要求;车载以太网协议配置设计规范:考虑IPv4或IPv6的应用,TCP/UDP协议的适度修改和裁剪;车载以太网网关路由设计规范:以太网到CAN的路由规则、路由性能要求;车载以太网DoIP和Bootloader设计规范:考虑通过网关连接OBD、直接连接、通过LAN访问等方式接入,不同接入方式下,需要支持的协议,不同接入方式下,IP、MAC和VLAN的应用要求。


5.车载以太网测试验证

硬件方面,以集成测试机柜为主,集成Vector工具链、以太网协议测试工具链、第三方程控电源、示波器和故障注入板卡等。通过测试机柜,实现测试设备与待测ECU的无缝连接。软件方面,以通用性测试用例库为主,结合硬件设备控制库、测试数据分析库及数据库解析库等一些系列模块化开发脚本库,实现测试用例管理、车型管理、任务下发、测试执行、数据管理分析和测试报告批准等。测试实施包括部件测试、系统集成测试及整车测试,相应的测试内容见表2。


表 2 以太网测试

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总结


综上所述,基于需求制定网络架构、确定网络通信协议框架,研究对应的标准协议以及相应测试验证方法,可逐步构建车载以太网技术。从而提升网络带宽,优化网络架构,适应智能网联带来的多节点、高负载及响应快等需求。以太网技术是践行技术领先化、开发迭代化、产品平台化及品牌向上化的重要体现,能够全面推动自动驾驶技术研发及应用,有效地支撑智能网联技术的发展。

撰稿人:何茜、方海鹏

责任编辑龚淑娟
审核人:文二霞

                                                 

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原文始发于微信公众号(AI汽车制造业):浅析构建车载以太网技术能力过程

版权声明:admin 发表于 2022年12月15日 下午5:31。
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