隨著汽車智能化的發展,車載以太網成為先進汽車電子架構必不可缺的一部分,在中心節點,車載以太網已經占據絕對優勢地位,但在邊緣節點,CAN、CAN-FD和FlexRay等總線依然占據主要地位,特別是CAN。這使得汽車電子架構難以達到真正的Zonal級別,只能停留在域控制器級別。要想軟件定義汽車或者說服務導向架構,Zonal架構都是必須要做到的。
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典型的Zonal架構,就是服務器的概念,通過車載以太網骨干網,超級計算核(即服務器或高性能計算即HPC)處理所有節點的計算需求。汽車變成類似于PC的架構,軟硬件徹底分離,硬件統一,絕大部分工作都是軟件,依靠LINUX等操作系統與自適應AUTOSAR,硬件對程序員完全透明化。
目前有兩大領域,一個是傳感器領域,一個是執行器領域,急需要車載以太網取代傳統的CAN總線,傳感器領域主要是超聲波傳感器、毫米波雷達傳感器、用于緊急呼叫的麥克風,最后還有用于動力傳遞部分的位置、速度、壓力、溫度等傳感器。執行器領域主要是燈光,包括前大燈,內部燈,氛圍燈;揚聲器,車門揚聲器、超低音揚聲器、緊急呼叫揚聲器;最后是各種電機,包括車窗、各種鏡子、泵、雨刷等。
2020年3月,IEEE發布了802.3cg標準,即10 Mb/s Single Pair(10SPE),不僅可以用于汽車,還有工控和樓宇自動化領域。標準分兩個,一個為10BASE-T1L,用于樓宇自動化和工控,最大距離1公里,全雙工,點對點傳輸。另一個是10BASE-T1S,用于汽車,最大距離25米。寶馬和通用已經確認將在下一代汽車中用10BASE-T1S取代CAN總線。
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10BASE-T1S只是物理層標準,鏈路層也有微小變化,其余無變化,對軟件工程師來說完全透明,無需理會。
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上圖為今天最先進智能車(當然不是特斯拉)的電子架構,談到電子架構的先進程度,奔馳、寶馬和通用都在特斯拉之上。特斯拉還在使用老舊的非車載級以太網。
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未來的汽車電子架構,CAN與FlexRay都被以太網取代。這種車載以太網就是10BASE-T1S。
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目前先進域控制器都是使用100BASE-T1或1000BASE-T1車載以太網,這種設計是性能至上,要想取代CAN,成本最關鍵。10BASE-T1S的出發點是三個,低成本、低功耗,低電磁輻射。這里的成本指整體成本,10BASE-T1S使用單對非屏蔽雙絞線,無論連接器、線纜成本都比CAN要低,線纜重量也要低大約50%。此外可以通過以太網供電,無需單獨供電線路。
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10BASE-T1S使用PLCA,即PhysicalLayer Collision Avoidance,物理層沖突避免。保證低延遲和高可靠性。其采用半雙工機制,通過一個BEACON按日程表每周期通訊(cyclic communication scheduled over a BEACON),BEACON是一個坐標節點規律發送的標記,每發送一個BEACON,每一個節點都有機會發送數據 After each transmitted BEACON, each station is granted a transmitopportunity (TO)。
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10BASE-T1S采用CSMA/CD,Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection 載波監聽多點接入/碰撞檢測協議傳輸數據。但附加了PLCA,IEEE在測試中發現,附加PLCA后,帶寬利用效率最高。
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附加PLCA后延遲也大大低于傳統的CSMA/CD,不會高于1毫秒。為避免兼容性問題,PLCA是可選項,也可以不用,兼容一些比較老的MCU。
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10BASE-T1S的另一個特色是Multidrop mode,無需交換機或網關的加入即可實現多節點。
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這種網絡架構里有一個稱之為協調者Coordinator,其他為Drop Node,不太嚴格地說,協調者類似主,DropNode是從。
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10BASE-T1S可以兼容現在的TC6或TC14標準,但PCLA必須要802.3cg。
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軟件方面,2020年11月版的經典AUTOSAR支持RMII/MII物理層,2021年11月版支持MACPHY。
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診斷、時鐘同步和安全方面的特色如上,未來還會加入睡眠喚醒和新拓撲架構。
目前10BASE-T1S物理層芯片常見的只有Microchip的LAN8670/1/2,德州儀器和ADI正在開發中,它們有針對工控和樓宇自動化的10BASE-T1L物理層芯片。
LAN8670/1/2典型應用圖
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LAN8670/1/2內部框架圖
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10BASE-T1S暫時還無法撼動CAN總線在汽車領域的地位,但是CAN-FD和FlexRay將受到10BASE-T1S的強力挑戰,拿下CAN-FD和FlexRay之后,10BASE-T1S會挑戰CAN,屆時車內只會存在以太網和LIN兩種總線。
審核編輯 :李倩
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原文標題:車載以太網挑戰CAN總線
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