淺析基于車載以太網(wǎng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鄭子健，張殿明，丁光林，崔根群

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300310；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

淺析基于車載以太網(wǎng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鄭子健1，2，張殿明2，丁光林1，崔根群1

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300310；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

為了提高汽車的安全性和舒適性，用戶不斷要求提高車輛的駕駛控制性能和信息娛樂功能。因此，高清攝像頭、診斷、自動泊車、信息娛樂等系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換對車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了挑戰(zhàn)。汽車生產(chǎn)廠商需要靈活和經(jīng)濟實惠的互聯(lián)解決方案，以滿足在汽車網(wǎng)絡(luò)中對無縫集成信息、娛樂及安全功能日益增長的需求。以太網(wǎng)是車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，它的特點是低成本、高帶寬，非常適合作為連接車載AV設(shè)備的影像傳輸（信息）系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及信息系統(tǒng)等各個系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，未來的整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也必將有以太網(wǎng)的一席之地。

以太網(wǎng)；低成本；高帶寬；拓?fù)?/p>

1 車載通信總線系統(tǒng)概述

表1 車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是從串行通信，到工業(yè)總線，再到總線網(wǎng)絡(luò)［1］。目前國產(chǎn)廠商大多車型的網(wǎng)絡(luò)總線是以CAN總線為主，并輔以LIN總線和FlexRay總線，如上汽通用五菱寶駿系列、北汽幻速、眾泰系列車型，還有一些目前市面銷售比較好的電動汽車，如知豆，都是以CAN網(wǎng)絡(luò)為主干網(wǎng)絡(luò)，并在車身控制模塊上加入LIN總線，達(dá)到更好的舒適駕駛模式。對于當(dāng)前消費者對車內(nèi)影音娛樂系統(tǒng)的更高追求，一些廠商在車上加入MOST總線，不過其主要的缺點也一直為人詬?。篗OST是一個單源系統(tǒng)，成本高且靈活性低。在汽車市場日趨激烈的環(huán)境下，價格戰(zhàn)進(jìn)入白熱化狀態(tài)，MOST總線也漸漸脫離人們的視線。隨著人們對車載娛樂、舒適、安全等更高的要求，以太網(wǎng)以其更快的傳輸速率、更低的線束成本和永不過時的技術(shù)受到各大整車廠商的青睞。車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢見表1［2］。

2 以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的車載總線網(wǎng)絡(luò)

在近10年時間里，汽車電子工程師一直困擾于CAN帶寬不足的問題，一旦要提高原有車型的配置，增加其功能，可能帶來的問題是總線上節(jié)點過多，負(fù)載率過高，影響整車網(wǎng)絡(luò)收發(fā)報文的能力；如果加入網(wǎng)關(guān)來解決這一問題，同樣又會導(dǎo)致延長研發(fā)周期，增加額外成本，但是不可避免的是CAN恰是當(dāng)前主流的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太網(wǎng)在我們的生活、工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)有了很成熟的應(yīng)用，其巨大的帶寬、低廉的成本以及良好的電氣隔離特性優(yōu)勢，為汽車企業(yè)帶來廣闊的前景。以太網(wǎng)在其40年的生涯中如此成功的原因之一，便是以太網(wǎng)在不斷進(jìn)化、改變以及支持帶寬持續(xù)性增長的同時，仍舊保持了對高層協(xié)議和軟件的后向兼容性。以太網(wǎng)技術(shù)為汽車企業(yè)帶來的一個重要優(yōu)勢是：它能夠利用這一功能的基本原理，同時兼具前向兼容性，支持未來實現(xiàn)更高的性能［3］。目前，以太網(wǎng)在車載領(lǐng)域可用于診斷、刷新、傳輸高清影音圖像以及作為車輛主干網(wǎng)絡(luò)，寶馬的X系列車型已經(jīng)成功將以太網(wǎng)的AVB協(xié)議應(yīng)用到倒車影像并投入市場。

以太網(wǎng)可實現(xiàn)全雙工運行，可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要輪候；其分組交換功能可實現(xiàn)在多種情況下不同設(shè)備同時進(jìn)行多次交換；以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)是基于地址的消息傳輸，每個以太網(wǎng)消息都有一個源地址和一個目的地址，交換機根據(jù)目的地址將消息發(fā)送給目標(biāo)接收者，而接收者可根據(jù)從消息中讀取到的原地址進(jìn)行回復(fù)。交換機的消息處理功能可以比作車載網(wǎng)絡(luò)里的網(wǎng)關(guān)，不過兩者之間存在一個明顯的區(qū)別。網(wǎng)關(guān)由ECU中的軟件支持，而ECU卻隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓兓?。交換機不同，交換機初始設(shè)置后，即以“透明”方式運行，且多臺交換機可連接在一起，自動將以太網(wǎng)消息發(fā)送給目標(biāo)接收者，而且不受網(wǎng)絡(luò)配置變化的影響。正是考慮到交換機的靈活配置，以太網(wǎng)的固有特性使它很有希望橋接多個控制域，汽車廠商才爭相選用以太網(wǎng)作為車載骨干網(wǎng)絡(luò)，一些子系統(tǒng)仍可使用其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如圖1所示。

圖1 以太網(wǎng)的固有特性使其有很大希望成為車內(nèi)主干網(wǎng)絡(luò)

圖1中，以100Mb／s的以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)，影音娛樂系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)分別作為幾大控制域通過中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。各控制域相互獨立，分別可實現(xiàn)自身網(wǎng)段的休眠喚醒，不受其它網(wǎng)段的干擾。影音娛樂系統(tǒng)需要大量的高品質(zhì)音視頻信息，以太網(wǎng)完全可以滿足消費者的需求；而作為傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)，依然沿用CAN網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)信息交互，無需打破原有網(wǎng)段設(shè)計方案，這也是以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)的一大優(yōu)勢；輔助駕駛逐年受到消費者的青睞，其更方便的駕駛模式和更人性化的駕駛體驗以及更安全的駕駛享受，這些都需要靠龐大的數(shù)據(jù)流作支撐，以太網(wǎng)恰能滿足這些需求。采用100 Mb／s的以太網(wǎng)作為診斷線束，相比于現(xiàn)在車載診斷口，其下載數(shù)據(jù)時間將大幅縮短，提高開發(fā)測試及后期維修的時間。

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 以太網(wǎng)基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 以太網(wǎng)星形拓?fù)浞纸M交換

目前，以太網(wǎng)最重要的4個基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為點到點拓?fù)?、總線拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)浜托切瓮負(fù)?，如圖2所示。

擁有2個以上的車載以太網(wǎng)，要求采用交換機連接終端設(shè)備，這意味著該網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形網(wǎng)絡(luò)可以很容易地通過增加更多的連接進(jìn)行擴展，唯一限制因素就是交換機的端口數(shù)量。此外，還可以將多個交換機相互連接，而將星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴展成“星中之星”型或樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于汽車經(jīng)常面臨組件更換以及ECU的增加或移除，因而星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對汽車行業(yè)來說更有吸引力。

CAN、FlexRay、LIN、MOST這些較早的組網(wǎng)技術(shù)都基于一種共享介質(zhì)，所有設(shè)備通過電纜連接在一起。這樣的缺點在于每次只限一臺設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，而且網(wǎng)絡(luò)中的任何報文都暴露在所有節(jié)點之前。星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則完全不同，在星形拓?fù)涞姆纸M交換功能中，多數(shù)情況下，設(shè)備發(fā)送一幀報文到交換機，由交換機通過端口將這幀發(fā)給唯一的目標(biāo)接收方，其他端口在此過程中始終閑置。以圖3為例，如果節(jié)點2向節(jié)點1發(fā)送一個幀，該幀首先通過節(jié)點2和交換機端口2之間的鏈路被發(fā)送至交換機；不久之后，交換機復(fù)制該幀至端口1，然后發(fā)送至節(jié)點1。此時，端口3是處于閑置狀態(tài)。如果在節(jié)點1與節(jié)點2通信的同時，節(jié)點3也要與主機通信，所有鏈路相互獨立，互不干擾，這也是分組交換的全雙工網(wǎng)絡(luò)的一大優(yōu)勢，比傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)需要判斷優(yōu)先級再通信的模式效率提高數(shù)倍。

4 以太網(wǎng)供電

傳統(tǒng)上，聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備需要兩個連接：一個用于接入網(wǎng)絡(luò)，另一個用于供電。無論辦公室等常規(guī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還是車載網(wǎng)絡(luò)均是如此。不過，為了縮減線束成本，減輕質(zhì)量，提高燃油效率，供電和數(shù)據(jù)傳輸共用一條線纜在車載環(huán)境中還是工程師們所希望見到的。2003年推出的“以太網(wǎng)供電”（PoE）技術(shù)可通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線纜提供15.4W供電功率。目前通過技術(shù)改進(jìn)，已達(dá)到25.5W。不過此項技術(shù)需要使用4對電纜，而車載以太網(wǎng)使用的是1對電纜。此外，PoE的運行電壓高達(dá)44 V，而汽車電氣系統(tǒng)的工作電壓僅為12 V，電子設(shè)備和ECU的工作電壓僅為5 V，甚至更低。目前，許多汽車生產(chǎn)商也在研發(fā)48 V電氣系統(tǒng)，并且一個專為車載以太網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的供電技術(shù)也在開發(fā)中，適合于12V供電系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

通過以太網(wǎng)幾十年在各領(lǐng)域的成功應(yīng)用，對比傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率和成本的巨大優(yōu)勢，以及對未來汽車安全、舒適更高的要求，以太網(wǎng)很有希望作為新的車載主干網(wǎng)絡(luò)成為新的車載網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)潮流，也是汽車生產(chǎn)商值得投資的總線通信。

［1］王建萍.車載以太網(wǎng)［J］.汽車與配件，2015（8）：54-58.

［2］秦貴和，陳吉龍，王洋，等.車載多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2015（1）：1-4，127.

［3］Charles M.kozierok，Colt Correa，Robert B.Boatright，Jeffrey Quesnelle.AUTOMOTIVEETHERNET The definitive Guide［M］.Madison：Intrepid Control Systems，2014：8-9.

（編輯 楊景）

Analysis of the Automotive Communication Network BUS Topology based on Ethernet

ZHENG Zi-jian1，2，ZHANG Dian-ming2，DING Guang-lin1，CUI Gen-qun1
（1.Hebei University of Technology，Tianjin，300310；2.China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300，China）

In order to improve safety and comfort of vehicles，users are demanding higher vehicle driving control performance and infotainment functions.Therefore，challenges are proposed on data transmission and exchange between the high-definition camera，diagnostics，automatic parking，information and entertainment systems in the vehicle network bandwidth.Automotive OEMs require a flexible and cost-effective interconnect solution to meet the growing demand for network in car that seamlessly integrates information，entertainment and safety functions.Ethernet is the direction of vehicle network development，which is characterized by low cost，high bandwidth.It is very suitable for the connection of car AV equipment transmission（information）systems，body systems，control systems，security systems and information systems and other systems of backbone network.Ethernet will also be useful in future vehicle network topology.

Ethernet；low-cost；high bandwidth；topology

U463.6

：B

1003－8639（2016）12－0066－03

2016-08-11

鄭子健（1990-），碩士，主要研究方向為汽車電子電器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計。