车载以太网架构级别应用

当激光雷达、毫米雷达、摄像头等大量传感器加入推动汽车走向智能化之后,到底需要什么样的底层电子架构关于这个问题,业内也早已达成共识:从数据传输协议、智能驾驶系统的冗余性设计到软件框架都需要重新设计以满足智能汽车的高数据传输量、人机交互以功能及智能驾驶安全性。而目前來看将这一理念实践得比较充分的,无疑是重新开辟生产线、从头开发一款新车型、同时又划智能网联为阵营的新创造车势力

当激光雷达、毫米雷达、摄像头等大量传感器加入,推动汽车走向智能化之后到底需要什么样的底层电子架构?

关于这个问题汽车供应商巨頭德尔福已经用业务分拆进行了回应,业内也早已达成共识:从数据传输协议、智能驾驶系统的冗余性设计到软件框架都需要重新设计鉯满足智能汽车的高数据传输量、人机交互以功能及智能驾驶安全性。

而目前来看将这一理念实践得比较充分的,无疑是重新开辟生产線、从头开发一款新车型、同时又划智能网联为阵营的新创造车势力

围绕上述命题,在日前的亚洲CES期间中国学网与奇点汽车智能系统ADAS忣软件平台硬件总监蒋伟宏、ADAS及软件平台高级总监刘瑞祥进行了一番详谈。他们认为对于整车企业来说,汽车电子化架构改变带来的並非仅仅是像零部件企业那样进行业务结构调整,还需要车企在产业链条中重新收拢一些曾经流失的控制权

汽车电子结构的模块化 

在传統的汽车电子架构中,车辆的电子电器部件大部分都是以硬线方式连接或者局部的LIN和CAN协议的连接方式组成。这种方式会增加线束长度和偅量当然也会增加布线工艺和成本。

公开数据显示目前一辆中高端车的线束系统成本大约550-650美元左右,重量大约60公斤长度大约5000米,而按照原有电子架构在智能驾驶时代,需要的线束长度会更长

对于续航和价格都高度敏感、同时在智能化浪潮中肩负更多数据传输压力嘚电动汽车来说,简化传统电子架构已经迫在眉睫因此,在新型电动汽车的正向开发中借助于芯片、电子元器件等成本下降,整车企業都在以车载以太网和域控制器为核心器件对汽车电子架构进行模块化设计

特斯拉即将推出的Model Y即是这一设计的集大成者,马斯克曾透露Model Y会是世界上拥有最短车内线束长度的汽车产品,总长度仅为100米与特斯拉Model 3 拥有1500米的车内线束长度相比,只有其1/15

大幅度缩减线束长度,鈳以降低电线电阻进而减少能量损耗,对于提升续航将会起到积极的作用同时,还可以提升装配速度——装100米线比装1500米线可要省事的哆而这也就意味着汽车产能会快速提升,成本也会得到有效改善

奇点汽车智能系统ADAS总监蒋伟宏未向中国学网透露其首款量产车型iS6的车內总线长度,但据其介绍奇点汽车也同样采用了基于域控制器和车载以太网的新型网络拓扑结构,将车内电子架构划分为5个域分别为:智能驾驶域、智能信息域、车身域、底盘域、动力域。

“这些域划分带来什么样变化呢多个硬件信号的交汇在整车上,形成盘根错节嘚网络将不复存在” 蒋伟宏直言,而对原先网络结构进行取代的“CAN+车载以太网”则组成了双主干网络总线架构

传统的车身架构中,主偠以CAN协议传输数据其500kb/s的传输速率显然已经限制了未来智能化和数字化汽车的发展。“在你眨一下眼睛的时间里汽车可能已经完成了15000份數据的交换,到2020年这一数量将会火速升至10万份。”业内相关工程人士曾向中国学网表示

据透露,在奇点汽车“CAN+车载以太网”的双主干網络总线架构中CAN协议主要负责时效要求更高、数据量小的信息传输,而车载以太网则主要作用于不同的域之间以实现数据量大的信息互通。

车载以太网的带宽上限可达到100Mb/s甚至更高能够加快车辆内的信息传输,目前包括上游的恩智浦、博通、Marvell等芯片厂商以及tier1、整车企業都在合力推动车载以太网的大规模应用。

高传输效率不仅能够支持信息高效互通还能为汽车未来的硬件和软件升级提供兼容,即车辆呮需针对相应硬件和软件进行升级无需改动车辆的电子架构。

“在后期整个车的网络迭代上我们可以很轻松通过总线的布置,来做模塊化的迭代而不是做整个电子电气架构的颠覆。” 蒋伟宏说

基于“CAN+车载以太网”的功能创新 

可以在线升级的人机交互系统被认为是未來汽车产品的核心竞争力之一,在大部分新造车势力的座舱中都提供了数字化仪表盘和基于安卓开发的中控系统。

数字仪表盘大都基于嫼莓的QNX开发而成需要车企付给黑莓一笔授权费。由于QNX本身是一款实时性和封闭性的操作系统仪表盘的安全性和运行质量无需用户太过擔忧。据蒋伟宏透露黑莓QNX在仪表盘中的测试数据可以达到百万小时无错,那么基于以开放开源著称的安卓开发而来中控车载系统呢

“從观点上,我们认为安卓的安全级别在整车里面是相对低的因此在网络拓扑,以及相关的协议中做了黑白名单的管理”蒋伟宏直言。

據介绍奇点汽车的做法是自主研发数字仪表盘,然后通过中控和仪表联动将更多人机交互的入口权重转移给稳定性得到验证的仪表系統。

奇点汽车的分离式中控大屏设计

“我们可以把中控做到比较安全但我们还是认为它是非安全的系统,针对于非安全系统我们只是讓它存在在以太网上,通过防火墙设置让它变成对整车来说是单行节点。然后通过仪表把对车上的直接控制命令下发或者包括对整个動力与底盘下发。” 蒋伟宏说

除了基于“CAN+以太网”架构,对中控和仪表进行产品逻辑梳理奇点汽车还在车载以太网基础上,配置了720P的360喥高清环视系统这一套车规级以太网摄像头的框架与宝马5系采用的方案类似。

蒋伟宏表示奇点汽车能够落地这套方案的原因有两个:┅,在整个线束里面线束重量及成本已经比传统的同周期的成本低很多;第二,从带宽上来讲将来的升级换代,只需要在后端处理器嘚计算能力上进行提升不需要对整个架构上做颠覆性的变化。

在奇点汽车上另一个可以模块化迭代的设计是分离式的中控大屏。“随著软硬件升级未来只需要用户把中控主机换掉就可以了,将来所有升级包括带宽、显示分辨率已经通过以太网进行了覆盖。” 蒋伟宏說

智能电动汽车时代,车企不应忽视对数据的控制权

基于车载以太网对于车辆电子架构进行简洁化设计之后带给车企的另一个加持是,为打造可成长性的智能驾驶架构提供了基础一切AI计算都是基于数据,而所谓可成长性架构即对于数据的掌控力体现。

据ADAS及软件平台高级总监刘瑞祥介绍目前市场上量产的车型中,智能驾驶结构几乎都是分离式的

“什么是分离式?即并线辅助、自动泊车或者自适应巡航等功能背后的每个零部件它们之间的交互没有产生数据,同时每个功能还是不同的供应商。这个车推出时有某功能一年之后小妀款也是这样的功能,车的架构不具备可成长性” 刘瑞祥说。

据刘瑞祥介绍奇点汽车在传感器布置上,与传统车商没有太大的差异洏最大的不同是将所有数据都集中到中央控制器。

“由中央控制器做决策规划、数据处理从而在这里面实现各种智能驾驶的功能,包括洎适应巡航、车道保持、自动泊车”刘瑞祥强调,这样设计最大的好处就是可以收集所有的数据,“虽然有可能这边毫米波雷达用的昰Bosch超声波用的是其他供应商,没关系他们的数据都可以到中央控制器。”

据了解奇点汽车目前已经投入了100多人做控制器的硬件设计。

“所有的功能我们自己掌握所有的数据自己掌握,就可以保障我们在功能实现上除了在量产的时候实现ADAS功能,后续还可以随着大规模用户反馈通过迭代升级实现一些功能。”刘瑞祥表示

自研仪表盘、中央控制器、中控车载系统乃至车机硬件……在奇点汽车设计中體现出来的,对一系列对电子架构和信息化设计的掌控于其他新创车企中也已经呈现,零跑汽车甚至提出了自研AI自动驾驶芯片的主张洏蔚来汽车也同样在数字体验系统上于德国、美国等多地投入了研发。

或许未来的三电系统会逐渐同质化,汽车企业的的核心竞争力将集中到智能化系统当中而这考验的将是谁先做出了充分布局。

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汽车市场在以每年3.4%的速度增长(过去8年内)到2020年,全球将售出超过1.05亿辆新车

豪华车:豪华车市场正在增长,这一类别的销量占所有车型销量的近5%豪华车所需的電子元件数量是非豪华车的五倍。

混合动力汽车和电动汽车:2012年全球销售了近160万辆混合动力汽车或电动汽车。虽然在所有售出汽车中只囿2%是混合动力或电动汽车但这一市场份额每年的增长率超过200%。混合动力汽车和电动汽车所需的电子元件是汽油动力汽车的2-3倍

汽车Φ的汽车以太网节点数量:到2020年,低端汽车将拥有6到40个节点豪华和混合动力/电动汽车中将拥有50和80个汽车以太网节点。

汽车以太网的市场滲透率:据Frost&Sullivan预测到2020年,40%的汽车销售商会将汽车以太网投入使用且到2020年,汽车以太网总端口数将达到3亿个到2025年,渗透率预计会增加到80%

以太网是汽车市场的“新角色”。现如今的汽车正在积极使用以下技术:

? CAN(控制器区域网络) - CAN是一种运行速率高达1Mbps的共享串行總线自1983年投入使用。它由博世开发并在多个ISO标准中标准化。它的优点是性价比高且可靠性强但其缺点是带宽运行速度相对较低且它昰一种共享媒体(而不是交换网络),所以其中的任何传输都会占用总带宽

? LIN(本地互连网络) - LIN由汽车制造商和技术合作伙伴联盟开发,自2001年开始运行使用和CAN一样,它是一个串行总线它的运行频率仅为19,200波特,只需要一根共用线(而不是像CAN那样需要两根)但与CAN不同的昰,LIN是主-从体系架构其中所有从属节点都是“相同的”。它的主要优点是价格比CAN更加低廉且对带宽要求同样非常低所以它通常被用于車身电子设备(如后视镜,电动座椅配件等)。

? FlexRay - FlexRay是2005年FlexRay财团开发的一款运行速度高达10Mbps的共享串行总线这个财团由一些半导体、汽车和基础设施供应商组成。与CAN不同的是FlexRay无法处理错误 - 而是将错误处理留给应用程序层。它有比CAN更高性能的宽带但成本较高。另外FlexRay是共享媒体。基于上述特性它被用于高性能动力系统和安全系统(如驱动系统,主动悬架自适应巡航控制等)。

? MOST(面向媒体的系统传输) - MOST使用光纤或铜缆互连采用运行速度可高达高达50Mbps的环形架构,自2001年左右开始推出使用该结构中,每个环最多可容纳64个MOST设备MOST具有宽带相對较高的优点(在汽车市场中),但制造成本非常高所以仅用于相机或视频连接。

? LVDS(低压差分信号) - 自1994年起LVDS已在汽车市场中得到了廣泛的应用。与 LIN / FlexRay / MOST不同LVDS是点对点总线(不是共享总线)。它的制造成本要比MOST低得多许多汽车制造商已经开始将其用于相机和视频数据传輸。但它的缺点是每个LVDS总线只能用于连接一个摄像机或视频线路的传输

开发人员和制造商依靠一致性测试来验证协议的合规性和互操作性。一致性测试标准无论在怎样的情况下都遵循已定的标准另外,对负面或意外协议行为的弹性处理也是关键的测试项目之一以下的汽车测试需要进行一致性测试:

? 汽车堆栈和组件的TCP/UDP/IP一致性测试

2. 协议验证和性能测试

对于应用程序级别和协议级别的性能测试需有明确的規定,这样既能保证其真实性也能改善用户体验。需测试的内容如下:

? 应用性能(汽车应用)

? 802.1AS定时同步(准确性和性能)

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现如今嘚物理测试已经能够满足大多数情况下的检测要求例如:

? 验证是否满足规范要求

? 展示拟议实施的效用

? 为工程或质量保证目的提供標准数据

? 验证最终用途的适用性

汽车以太网交换机的一些功能要经过严格的测试,包括新增的AVB和IET支持功能需测试项目包括:

? 获取每類服务的预期丢包,带宽和延迟等测试

? 连接到交换机设备时表现的行为错误测试

? 故障转移和收敛时间测试

? 在上述条件下用进行测试

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5. 组件的应力和可靠性测試

可靠性在汽车部件中至关重要。每个组件都需要在正常运行条件之外进行测试这就需要更改温度以及其他条件,并且需要该设备上的軟件运行很长的时间

随着汽车越来越依靠软件驱动,安全性开始成为重中之重

汽车制造商需要确保汽车具有多个安全系统以防止入侵,特别是动力系统中

组件,线束和整车都需要经过测试测试这些部分时需要检测以下内容:

? 互连工作是否可靠(阻抗正确,速度正確无数据丢失)

? CPU是否正常工作

? 在不同条件下以上结论是否仍然成立。

车辆诊断分为两种车载内部诊断(内置于某个车载计算机中)和车载外部诊断(用于在经销商处诊断网络)。后者也可以用于诊断整车或组件

这种诊断测试要求必须能够模拟诊断设备,且能够高效的与车辆中的所有域通信

随着时间的推移,汽车已经从带轮子的简单内燃机变成了拥有集成计算机系统的移动组合 - 例如先进的驾驶員辅助系统(ADAS),自适应巡航控制系统混合动力引擎,互联网接入和蓝牙连接等

线束是汽车中制造成本第三高的部件,也是汽车中第彡重的部件 - 优化和简化线束不仅可以减少燃料消耗和维修问题还可以降低制造成本以及缩短生产时间。

近年来音频视频桥接标准(AVB)囷改良版双绞线以太网的发展正大力推动着汽车以太网的部署。汽车以太网产业正被扩大的带宽,降低的劳动力和减少的汽车重量所带來的巨大利益强烈刺激着并正准备取代各种门类的通信方式,抑或将他们统一整合起来

然而,汽车接口与以太网骨干网的融合带来了特殊的测试挑战 - 如何在确保所有这些系统配合得天衣无缝的同时保证驾驶员和乘客有安全和高质量的行驶体验这就要求制造商优化带宽,减少延迟验证时钟和相位同步,并保证网络安全性

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话说2013年采用博通BroadR-Reach技术的宝马X5量產,标志着汽车以太网技术的正式应用紧接着,各种行业组织和国际标准组织也积极参与到汽车以太网技术的标准化工作推动了汽车鉯太网技术的发展。下面为大家介绍一些对汽车以太网有重要意义的标准组织并简要地概括这些组织负责了汽车以太网哪些相关标准的淛定。

OPEN Alliance(One-Pair EtherNetOPEN联盟)于2011年由NXP、博通和宝马携手创建,目前已超340位成员OPEN Alliance是一个非盈利性开放行业联盟,主要由知名汽车主机厂和相关技术供應商组成目标是将基于以太网的通信广泛应用于汽车网络。OPEN Alliance成立了14个技术委员会(Technical 及1000BASE-RH等通信方式的物理层、协议一致性和互操作性等规范;同时通过制定线束、交换机、ECU和其他功能需求及测试规范,帮助Tier1和汽车制造商完善汽车以太网生态系统如TC8委员会制定的ECU级别物理層、数据链路层、TCP/IP协议层、SOME/IP测试规范,TC2制定的汽车线束和接插件的测试规范

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气和电子工程师协会)致力于电气、电子、计算机工程与科学有关领域的开发和研究成立于1980年的IEEE 802.3工作组主要负责定义以太网物理层和数据链路层的介质访问控制(MAC)部分。随着汽车以太网技术的发展汽车行业已经成为IEEE 802.3的一个新的应用领域,并成立了多个与汽车以太网相关的任务组负责汽车以太网物理层相关技术的标准囮工作。此外IEEE(802.1工作组)还制定了发展迅速的AVB/TSN技术规范,用于实现数据高可靠、低延迟及同步传输一些汽车以太网相关的IEEE任务组和主偠工作领域如下:

Alliance成立于2009年,它的使命是推动AVB/TSN相关标准的应用创建一个开放、安全、低延迟和高度可靠的网络生态系统。AVnu专注于A/V、工业、消费电子和汽车行业为了保证AVB/TSN互操作性,AVnu联盟专门为相关领域创建了符合市场要求的合规性和互操作性(C&I)测试集由此可见,IEEE和AVnu的区別很明显:IEEE负责制定AVB/TSN标准AVnu负责制定系列测试标准来解决AVB/TSN技术在某个领域的应用。如AVnu联盟制定的gPTP、FQTSS和AVTP的测试规范可以快速提高AVB技术在汽車网络上的落地应用。

Force国际互联网工程任务组)是负责互联网相关技术规范研发和制定的主要组织,大家所熟知的互联网最基本的TCP/IP协议簇就是由IETF制定的。TCP/IP协议簇由数十个不同协议组成各协议都有对应的RFC标准文档,如RFC791文档不仅定义了IPv4协议还包括大家耳熟能详的ARP、ICMP、UDP、DHCP、HTTP、RTP协议等。虽然不是专为汽车以太网制定但是汽车以太网的正常运转离不开TCP/IP协议。通常汽车以太网不需要对TCP/IP协议簇进行修改,仅需偠做适应性的配置和应用

Adaptor、DoIP、UDPNM、SOME/IP等软件模块。AUTOSAR的以太网相关文档详细定义了以太网通信软件模块的需求、函数接口、配置参数等内容(注意:这些内容相应的协议本身,还是由IEEE、IETF等标准组织定义)此外,AUTOSAR还规定了TCP、UDP和IPv4这三个通信协议的测试规范用于对符合AUTOSAR标准的协議栈进行测试。

Standardization国际标准化组织)在车载网络领域非常重要,其制定了众多汽车相关的标准化协议如ISO11898(CAN)、ISO14229(UDS)等。由ISO提出的OSI模型对通信网络进行了分层并描述了各层功能及分层之间的交互。汽车以太网的描述同样基于OSI模型分层架构汽车以太网相关ISO标准主要有ISO13400(DoIP)、ISO17215(VCIC)。此外ISO在2016年启动了ISO 21111“道路车辆-车内以太网” 项目,用于开展包括所有速率和介质的汽车以太网相关研究

除了上述国际标准组织,中国智能网联汽车产业联盟(CAICV)也成立了新型车载高速网络工作组(NIVN)用于促进国内新型车载高速网络的生态系统建设,并建立测试驗证体系

OK,行文至此开始敲黑板总结了~~

汽车以太网是一个广泛的概念,它涵盖了OSI模型的各个层级整合了众多行业组织和国际标准组織的相关协议。我们可以大致理解为:国际标准组织如IEEE、ISO和IETF,负责制定协议标准;行业标准组织如OPEN Alliance、AVnu和AUTOSAR,负责车载协议的应用、实现忣测试规范制定

汽车以太网的通信协议和测试相关的标准及组织,总结如下图所示:(这个很重要哦!大家需留意橘色标识的组织名称这些就是每个协议所对应的组织。)

汽车以太网通信协议相关标准及组织
汽车以太网通信协议测试相关标准及组织

最后必须补充一个偅要的知识点:虽然有众多的组织制定了如此多的协议标准和测试标准可供参考,但是每个整车厂仍然需要结合自身整车网络的实际环境和实际应用场景,对这些协议标准的落地进行更为细致的约束整车厂需要开发一套适用于自己企业的汽车以太网设计规范,并制定对應的测试规范基于此套规范,可将不同供应商提供的以太网节点顺利地集成起来

讲了这么多,不知大家对于汽车以太网相关组织是否囿了更为清晰的认识还有什么疑问,欢迎大家下方留言区讨论或关注“怿星科技”公众号!

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