CAN-FD和以太網(wǎng)共筑未來(lái)十年的汽車(chē)數據總線(xiàn) — 快速、可靠(下)

接上篇
5 從 CAN 遷移到 CAN-FD
引入 CAN-FD 不會(huì )影響目前使用的諸如 LIN 和 MOST 等汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。要想把 CAN-FD 引入現有的 CAN 網(wǎng)絡(luò )，需要 有適當的遷移路徑。這是因為， CAN-FD 兼容性節點(diǎn)除了能 接受 CAN-FD幀外，也能接受當前的 CAN 幀，而不會(huì )出現 任何錯誤。但是，如果存在 CAN-FD 幀，常規 CAN 節點(diǎn)會(huì ) 在網(wǎng)絡(luò )上生成錯誤幀。OEM 可以通過(guò)幾種措施來(lái)減輕遷移 至真正 CAN-FD 網(wǎng)絡(luò )所需完成的工作量。
典型方案：
? 網(wǎng)絡(luò )中部署的新 ECU 必須能夠兼容 CAN-FD，同時(shí)還 必須能采用當前的 CAN 通信幀格式進(jìn)行操作。
? 微控制器必須能夠兼容 CAN-FD。
? 升級軟件時(shí)，僅集成對上層軟件沒(méi)什么影響或影響極 小的 CAN 驅動(dòng)軟件。
? 借助軟件更新，引入 CAN-FD 幀格式，從而達到更高 的數據速率。
? 通過(guò)限制載荷不超過(guò) 8 字節，可以限制僅 CAN 驅動(dòng)
器能夠進(jìn)行軟件更改。
? 在 Bosch（博世公司）開(kāi)展的一系列試驗已證實(shí)，當 前的收發(fā)器可以幫助達到 2.5Mbps 的平均數據速率[2]。
? 在 CAN-FD 操作期間使用“局部網(wǎng)絡(luò )”?，F有 CAN網(wǎng) 絡(luò )的收發(fā)器保持被動(dòng)斷開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)。您可以采用以下措施 來(lái)實(shí)現一個(gè)真正的 CAN-FD 兼容網(wǎng)絡(luò )：更新軟件，使其支持 高達 64字節的載荷大小，從而實(shí)現高帶寬利用率；或者，使用兼容 CAN-FD 的收發(fā)器來(lái)達到更高的數據速率。

6 總結
? CAN-FD 在保持與現有 CAN 網(wǎng)絡(luò )相當的成本的基礎 上，大大提升了吞吐量。CAN-FD 能夠提供額外的帶寬和很 高的速率。這有助于減少網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的數目。
? CAN-FD 通過(guò)改進(jìn)的 CRC 多項式，維持與現有 CAN
一樣的可靠性。

7 車(chē)載以太網(wǎng)
2008 年， BMW（寶馬公司）成了首個(gè)在汽車(chē)車(chē)頭的車(chē) 載診斷系統 (OBD) 中使用以太網(wǎng)的 OEM 。
使用以太網(wǎng)作為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )有諸多優(yōu)勢：
? 支持以太網(wǎng)的器件的量產(chǎn)大幅降低了成本；
? 對安全性、功能和性能沒(méi)有任何負面影響的帶寬可擴 展性；
? 適用汽車(chē)內外的各種連接選件；
? 通過(guò)變壓器耦合實(shí)現電流隔離。
BMW 只是在車(chē)庫維修服務(wù)站使用以太網(wǎng)，并沒(méi)有用在 汽車(chē)的數據總線(xiàn)上。還從未看到使用以太網(wǎng)作為核心車(chē)載數 據總線(xiàn)的情況。最近的兩項發(fā)展推動(dòng)了以太網(wǎng)的崛起：
? 最近發(fā)布的 MOST150 標準也集成了以太網(wǎng)通道；
? 能夠通過(guò)非屏蔽雙絞線(xiàn)以高達 100mbps 的速度發(fā)送 數據的低成本、高速度 PHY（物理接口集成電路）的發(fā)展 Bosch 預測，在不久的將來(lái)，以太網(wǎng)可能會(huì )成為事實(shí)上的電氣/電子設備主干。

8 以太網(wǎng)使用案例
8.1  信息娛樂(lè )系統
目前的信息娛樂(lè )系統還主要是專(zhuān)屬系統，不可擴展。 車(chē)載以太網(wǎng)將會(huì )解決這個(gè)問(wèn)題，最先得到證實(shí)的使用案例就 是音頻/視頻數據的傳輸。
為了改善以太網(wǎng)異步數據傳輸的確定性行為，  IEEE
發(fā)布了以太網(wǎng)AVB 協(xié)議（ IEEE 802.1 AS、 QAT、 QAV 和 BA）。以太網(wǎng) AVB針對音頻和視頻數據的同步傳輸定義了 一種機制，以確保低延遲。
為了實(shí)現 AVB，以太網(wǎng) MAC 外圍器件必須帶有以下專(zhuān) 有功能：
? 以太網(wǎng)數據包的時(shí)間標記；
? 區分各種 IEEE1588 消息的能力；
? 支持特定  IEEE1588 消息的硬件時(shí)間標記以實(shí)現高準 確性；
? 準確度可以達到十億分之一秒的高分辨率定時(shí)器；
? 基于信用的流量整形器；
? 在 AVB 網(wǎng)絡(luò )上，基于信用的流量整形對任何傳輸都是 強制性的；
? 考慮到數據包的高傳輸速率（ A 類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中每 125微秒
一次），在軟件中對每個(gè)數據包整形將會(huì )給 CPU。
帶來(lái)很大的負擔。在硬件中實(shí)現的流量整形器可以大 大降低 CPU 負擔。實(shí)時(shí)音頻/視頻數據的實(shí)際傳輸是通過(guò) IEEE P1722 數據包處理的（圖9，82頁(yè))。
8.2  先進(jìn)的駕駛員輔助系統
以太網(wǎng)能夠集成信息娛樂(lè )、遠程信息處理以及先進(jìn)的 駕駛員輔助系統 (ADAS) 等功能，例如，全景影像泊車(chē)和車(chē) 道偏離警告。當前的 LVDS（低電壓差分信號）單攝像頭系 統將逐漸發(fā)展為帶有多個(gè)高分辨率攝像頭的各式應用。來(lái)自 這些攝像頭、雷達和定位服務(wù)的影像將合并在一起，最終構 成行車(chē)周邊的鳥(niǎo)瞰視圖。要想傳輸來(lái)自多個(gè)源而且如此大量 的數據，可擴展的以太網(wǎng)絕對是最佳選擇。ISO17215 以太 網(wǎng)標準當前正在開(kāi)發(fā)中。它將規范應用于車(chē)載攝像頭系統與 駕駛員輔助功能的通信協(xié)議。
8.3  節能以太網(wǎng)  (EEE)
IEEE802.3az 是一種節能以太網(wǎng) (EEE)。它引入了省電 模式和喚醒功能，以便在設備不使用時(shí)節省電能。它還能在數據活動(dòng)較少時(shí)降低功耗。以太網(wǎng) MAC 支持 EEE 功能。
8.4  電動(dòng)汽車(chē)充電站  - 智能充電
ISO15118 是一個(gè)汽車(chē)到電網(wǎng)通信標準。它描述了與充 電站建立連接的機制、證書(shū)鑒定、數據交換計量、充電狀態(tài)
/檔案以及支付形式。使用以太網(wǎng)后，就不再需要使用任何
網(wǎng)關(guān) ECU 來(lái)與充電站進(jìn)行通信。
8.5  診斷
在逐漸向使用以太網(wǎng)進(jìn)行診斷的發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)歷了 多個(gè)標準。以太網(wǎng)是最適合診斷的一種方式，因為它能輕松 連接到 PC或筆記本上安裝的工具。相關(guān)的標準有 ISO/PAS
27145 和ISO13400。
8.6  聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)
智能電話(huà)已連接到汽車(chē)，汽車(chē)將能夠與周邊的生態(tài)系 統進(jìn)行交互。汽車(chē)能夠交換與通信狀況、地勢、氣候狀況以 及地圖系統相關(guān)的實(shí)時(shí)信息。它們把所有這些信息結合在一 起，就可以建議路線(xiàn)、計算駕駛時(shí)間、估算距離、呈現城市 的三維地圖以及輸入/輸出音頻/視頻數據流。以太網(wǎng)可能是 接入互聯(lián)網(wǎng)高速路最簡(jiǎn)單的途徑。
8.7  以太網(wǎng)充當網(wǎng)絡(luò )主干
網(wǎng)絡(luò )主干負責把具有不同協(xié)議和/或運行速度的各種 子網(wǎng)相互連接在一起。具有 1500 字節載荷限制和速度高達
100mbps的以太網(wǎng)最適合把多個(gè)消息聚合為單個(gè)數據包。您
可以使用IEEE1722 和 P1722a 封裝子網(wǎng)協(xié)議。您可以把跨網(wǎng) 關(guān)發(fā)送的、源自子網(wǎng)的多個(gè) CAN-FD 消息聚合為單個(gè)以太網(wǎng) 消息。作為一種異步協(xié)議，以太網(wǎng)的絕對速度克服了對嚴格 時(shí)序公差的依賴(lài)。消息緩沖區減少了時(shí)序抖動(dòng)，并增加了時(shí) 延容差。

9 遷移到以太網(wǎng)
隨著(zhù)帶 MII 或 RMII 接口的新型 PHY 的發(fā)展，半導體 供應商開(kāi)始引入帶有以太網(wǎng) MAC 外圍器件的汽車(chē)微控制 器。這為 OEM提供了可擴展的帶寬、更快的網(wǎng)速以及專(zhuān)屬 MOST 網(wǎng)絡(luò )的有效替代方案。汽車(chē)行業(yè)也開(kāi)始規范化以太網(wǎng) 平臺，以方便在包括駕駛員輔助、信息娛樂(lè )和安全等各式各 樣的系統中使用。這有利于降低成本，方便集成，簡(jiǎn)化從多 個(gè)供應商的器件采購。

10 總結
當 面 臨 高 帶 寬 數 據 傳 輸 需 求 時(shí) ， 汽 車(chē)制造商可以在 LVDS 和MOST 之間選擇。LVDS 速度快但成本高，因為它需要屏蔽纜線(xiàn)。 MOST 速度也很快，而且具有出色的 EMC 特性，但它
所需的光纖造價(jià)非常高，生產(chǎn)難度很大?，F在，以太網(wǎng)取代 了昂貴的 LVDS 系統，特別是在駕駛員輔助攝像與信息娛樂(lè ) 系統中應用比較普遍。當前的 100mbps 鏈路足以連接汽車(chē)中 的各個(gè)端點(diǎn)。然而，汽車(chē)行業(yè)很快就會(huì )需要速度達千兆位的 鏈路，確保以太網(wǎng)成為汽車(chē)電子架構的主干網(wǎng)。
參考文獻：
[1]The Hansen Report on Automotive Electronics, "CAN FD Positioned for Success", Portsmouth/NHUSA, Vol. 25, No. 10, Dec. 2012/Jan. 2013
[2]Florian Hartwich, Robert Bosch GmbH, "CAN with
Flexible Data-Rate" online at http://www.can-cia.org/fileadmin/cia/files/icc/13/hartwich.pdf
[3]Christoph Hammerschmidt, "Ethernet succeeds in automotive environments", Oct. 14, 2011
EETimes automotive Europe, online at http://www.
automotive-eetimes.com/en/ethernet-succeeds-inautomotive- environments.html?cmp_id=7&news_
id=222901844
[4]EETimes, "Ethernet to gain ground in automotive applications, Bosch predicts", Feb. 5, 2011, online at http://www.eetimes.com/electronics-news/4212870/ Ethernet-to-gain-ground-in-automotive-applications-- Bosch-predict