李林澤　石如泉　徐嫚　謝佶宏　邵杰

摘 要：隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)不再是一種簡(jiǎn)單的代步工具，更是一個(gè)充滿個(gè)性、體驗(yàn)和場(chǎng)景的生態(tài)主體，許多豐富多彩的新功能被引入到了汽車當(dāng)中。大量功能的增加使得智能網(wǎng)聯(lián)汽車的電子器件越來越多，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)已無法滿足現(xiàn)今快速發(fā)展的智能網(wǎng)聯(lián)需求。為此，本文提出了一種基于以太網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、拓展能力以及開放性等優(yōu)勢(shì)，能夠與外部設(shè)備進(jìn)行靈活交互、快速數(shù)據(jù)傳輸以及OTA軟件升級(jí)，完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的不足，適應(yīng)了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：汽車 環(huán)以太網(wǎng) 架構(gòu) 應(yīng)用

The Development Trend of Ethernet Ring Network Architecture and its Application in Intelligent Connected Vehicles

Li Linze Shi Ruquan Xu Man Xie Jihong Shao Jie

Abstract：With the rapid development of intelligent connected vehicles， cars are no longer a simple tool for transportation， but an ecological subject full of personality， experience and scenes. Many colorful new functions have been introduced into cars. With the increase of a large number of functions， there are more and more electronic devices of intelligent networked vehicles， and the network architecture becomes very complex. The traditional CAN network CAN no longer meet the needs of the rapid development of intelligent networked vehicles. To this end， the paper puts forward a network architecture， which has the powerful computation ability and expanding ability and advantages of the openness， and can flexibly interact with external devices， transmit data quickly， upgrade OTA software， and fully make up for the deficiency of the traditional CAN network， so as to meet the needs of the development of the intelligent made cars.

Key words：car， ring ethernet， architecture， application

1 引言

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車科技的不斷進(jìn)步，我們經(jīng)?？梢钥吹脚c汽車相關(guān)的如下的場(chǎng)景：1）汽車被擺放在展廳上，車燈呈現(xiàn)個(gè)性化地閃滅;2）汽車與機(jī)器人在舞臺(tái)上共舞，十分具有科技感;3）一些改裝車的的轉(zhuǎn)向燈改裝成跑馬燈的形式，顯得更加美觀。在很多場(chǎng)景中，汽車已經(jīng)不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的代步工具，而更是身份的象征，是用于炫耀、展示的藝術(shù)載體。

為了滿足以上豐富多彩的場(chǎng)景需求，汽車需要與更多的外部設(shè)備互聯(lián)，汽車的設(shè)計(jì)理念因此也需要從傳統(tǒng)的單單關(guān)注性能提升轉(zhuǎn)型為更多的功能拓展和跨界融合。新型的智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要具備更為強(qiáng)大的計(jì)算存儲(chǔ)和通信能力，給外部預(yù)留足夠的硬件接口，軟件也需要滿足可移植、可迭代、可拓展的技術(shù)特征，整個(gè)系統(tǒng)做到完全開放。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車不斷增加的電子電氣功能，帶來的問題是ECU越來越多，一些先行的企業(yè)已經(jīng)開始從分散控制向集中控制轉(zhuǎn)變，域控制器逐漸成為了汽車發(fā)展的一種趨勢(shì)。基于這種趨勢(shì)，車載的智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，成為未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)。所謂車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，就是集成異構(gòu)分布的硬件平臺(tái)以及智能駕駛操作系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)，它是智能駕駛領(lǐng)域的核心[1]。

目前，國(guó)內(nèi)許汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)都紛紛參與到了域控制器的研發(fā)熱潮中，在此背景之下，本文研發(fā)了一款新型計(jì)算與通信汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡(jiǎn)稱環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，整車集成單元作為域控制器，它的計(jì)算存儲(chǔ)和通信等能力完全滿足上述所提要求。

2 環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)簡(jiǎn)介

2.1 域控制器

環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)是基于域控制器構(gòu)建的，所謂域控制器，其實(shí)是主機(jī)廠將ECU化繁為簡(jiǎn)之后的衍生物。以往ECU（電子控制單元）廣泛存在于車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等底層零部件之中，汽車的每一個(gè)功能都需要單一或者多個(gè)ECU模塊進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)整車信息的轉(zhuǎn)化和處理。由此，這些遍布車身的ECU組成的架構(gòu)就叫分布式電子電氣架構(gòu)。ECU越多，意味著車輛的電子功能越豐富，但隨之而來的是分散的ECU模塊容易導(dǎo)致車輛線束布置復(fù)雜，車身越來越重，從而導(dǎo)致整車成本高昂;另一方面，由于涉及的供應(yīng)商眾多，ECU模塊的軟件開發(fā)始終無法同步，后續(xù)更新也難以為繼，遑論當(dāng)下熱議的OTA升級(jí)了。在汽車智能化時(shí)代，車輛需要有不斷進(jìn)化的能力，這種分布式電子電氣架構(gòu)顯然滿足不了整車數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求。2012年特斯拉Model S誕生意味著車上安裝數(shù)十上百個(gè)ECU的時(shí)代即將過去，ECU的減法時(shí)代到來。此后，傳統(tǒng)ECU模塊開始軟硬件分離，硬件被逐步取消，軟件被集中到一起，通過單個(gè)計(jì)算平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)功能的控制。

整車集成單元作為域控制器，每個(gè)功能域設(shè)置一個(gè)整車集成單元，整車集成單元之間通過以太骨干網(wǎng)進(jìn)行連接構(gòu)成環(huán)以太網(wǎng)型式的架構(gòu)。其它子控制器可選擇采用CAN總線、LIN總線、以太網(wǎng)連接對(duì)應(yīng)的域控制器，如圖1所示。

2.2 以太骨干網(wǎng)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車域控制器之間通信的數(shù)據(jù)量可達(dá)到幾十甚至上百兆，傳統(tǒng)的CAN總線帶寬不足，無法滿足如此龐大的數(shù)據(jù)量傳輸。此外，智能網(wǎng)聯(lián)汽車各零件軟件更新迭代的頻率很高，尤其是智能駕駛域控制器及其子控制器，因此智能網(wǎng)聯(lián)汽車的軟件更新通常是以O(shè)TA（空中下載技術(shù)）的方式來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)功能不同，一個(gè)軟件升級(jí)包的大小在幾十兆比特到幾吉比特之間，而傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)際最高的傳輸速率僅能達(dá)到500K左右，如此一來，一個(gè)幾吉比特的軟甲升級(jí)包在升級(jí)時(shí)會(huì)消耗掉幾個(gè)小時(shí)甚至更久的時(shí)間，這是極不實(shí)際的。綜上所訴，采用速率可達(dá)1G/10Gbsp、支持二層交換、又有良好的安全可靠性的以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)CAN作為骨干網(wǎng)絡(luò)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的必然選擇。

2.3 整車集成單元

整車集成單元的作用是收編傳統(tǒng)ECU功能、電源集中管理（1A～40A）、IO集成（PWM/ADC/H橋/DI/DO）以及通信集成（ETH/CAN/LIN）。整車集成單元軟硬件可按需靈活部署，支持OTA升級(jí)。如圖1所示，環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)中包含了3個(gè)整車集成單元，其中整車集成單元2中集成了MPU的功能。

2.3.1 整車集成單元硬件接口

除ECU外，整車集成單元還連接了大部分的車內(nèi)設(shè)備，例如通過一路以太網(wǎng)連接車載路由器。同時(shí)，整車集成單元硬件預(yù)留大量的IO口及多種目前主流的通信接口，且都為標(biāo)準(zhǔn)化接口。目前整車集成單元硬件接口主要包含如下3類：1）智能電源接口，包括1A、3A、10A、20A、30A、40A的常規(guī)接口，以及H橋和傳感器接口等;2）I/O接口，包括數(shù)字量輸入、模擬量輸入、LSD/PWM接口;3）網(wǎng)絡(luò)通信接口，包括以太網(wǎng)、CAN、CANFD以及LIN等。在滿足整車需求的情況下，整車集成單元還可以外接外部設(shè)備。

2.3.2 整車集成單元軟件部署

整車集成單元通常采用分布式的軟件部署方式，以達(dá)到業(yè)務(wù)功能冗余、提升整車可靠性、開放能力（整車級(jí)資源抽象與開放API）的目的。軟件部署具體如下：

整車集成單元0：整車控制器算法（上下電控制/充電控制/換擋/扭矩管理/駕駛模式等）;

整車集成單元1：車身控制器算法（中控鎖/遠(yuǎn)近光燈/轉(zhuǎn)向燈/雨刮/車窗控制/電源模式管理等）;

整車集成單元2：其中MPU：360/APA算法，MCU：IO接入。

3 環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)系統(tǒng)控制外部設(shè)備的原理

基于環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)的完全開放性，硬件接口的多樣性，此架構(gòu)不僅能連接大多數(shù)車內(nèi)模塊，還可以直連外部設(shè)備，所以可以有多種與外部設(shè)備互聯(lián)的方法，下面介紹其中一種。

整車集成單元連接的車輛設(shè)備中包含了車輛中大部分的無線通訊模塊，如車載路由器。通過車載路由器，外部設(shè)備可以接入整車以太網(wǎng)絡(luò)，外部設(shè)備只需要按照TCP/IP協(xié)議向車輛發(fā)送UDP報(bào)文就可以達(dá)到控制車身的效果。外部設(shè)備接入整車的方式如圖2所示：

以機(jī)器人作為外部設(shè)備的代表介紹圖2的控制原理?？删幊虣C(jī)器人通過車載WIFI連接車輛無線網(wǎng)接入整車以太網(wǎng)絡(luò)，按照TCP/IP協(xié)議向車輛發(fā)送UDP以太網(wǎng)報(bào)文以達(dá)到控制車輛部分零件（上鎖、解鎖、開關(guān)燈等）。只要事先編好程序，讓機(jī)器人在進(jìn)行不同動(dòng)作時(shí)向車輛發(fā)送對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)報(bào)文指令，在控制機(jī)器人完成指定動(dòng)作時(shí)，車輛就會(huì)做出相應(yīng)的操作，從而達(dá)到車輛與機(jī)器人的協(xié)同控制，再豐富機(jī)器人動(dòng)作程序，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與車輛共舞的場(chǎng)景。

4 結(jié)束語

多樣化的車輛使用場(chǎng)景使汽車的定義變得模糊，無論是單純地為了應(yīng)付目前特殊的使用場(chǎng)景還是做到未來的萬物互聯(lián)，汽車將從一個(gè)簡(jiǎn)單的交通工具演變成一個(gè)生態(tài)主體。依賴于軟件的開放性、硬件接口冗余設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化、以及整車集成單元的強(qiáng)大計(jì)算能力等，環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的生態(tài)主體提供了可能。目前，在整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向中央式演進(jìn)的過程中，環(huán)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還剛剛處于萌芽階段，未來的架構(gòu)將會(huì)更加智能化與多樣化。

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（2018AD10501）

參考文獻(xiàn)：

[1]苗圩：對(duì)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展提出三點(diǎn)建議，智能電動(dòng)車測(cè)評(píng)，2021.

[2]整車電控系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，一覽眾車，2021.

[3]軟件定義汽車，E-E架構(gòu)是關(guān)鍵，一覽眾車，2020.

[4]域控制器時(shí)代：ECU 的「消亡」與汽車「中央大腦」的重建，無人車情報(bào)局，2021.