车载以太网:姗姗来迟的以太网|全球今热点
2023-06-19 09:32:18 面包芯语
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【资料图】
CAN FD、Flexray一般会在几个网关节点中使用,当然,还有MOST、Ethernet等其他总线。根据总线通信速率的不同,SAE(Society of Automotive Engineers,美国汽车工程师学会)将汽车总线分为A、B、C、D四类,如下所示:
如上图,提到CAN或者Flexray,大家可能会对应500Kbps或者10Mbps的通信速率,但是,别忘了,它们的通信方式是半双工模式。而Ethernet可以全双工通信,所以,100Mbps或者1000Mbps并不是Ethernet的全双工模式,仅仅是它的半双工通信速率,如果全双工,按照CAN总线通信速率计算方式,Ethernet的通信速率翻倍。
为什么整车上需要使用这么多的总线类型呢?答:成本。汽车制造,作为商业活动,每个厂商都不得不在成本和利润间博弈。整车E/E设计中,会根据不同控制功能,布局不同的总线,以达到预期功能。
传统E/E设计中,一辆车的总线少则连接几十个ECU,多则上百个ECU。这不仅使得整车布线复杂,整备质量增加,而且加大了ECU的通信控制难度。传统的E/E架构示意如下所示:
近几年,域控是每个OEM的发力点,各大零部件供应商也不甘示弱,最后会是一个OEM和供应商合作与竞争并存的局面。域控之所以能落地,还是因为其能带来"效益"。相比分布式的整车网络拓扑,区域控制的网络拓扑更精简,域控不仅减少了ECU数量,同时也减少了对应ECU的布线,从而降低整车总成本。但是,域控使用的uC对数据吞吐量和速率却提出了更高的要求,eg:某项功能,之前由ECU A和ECU B协同处理完成,改进E/E之后,将ECU A和ECU B本来的功能融合到域控ECU C中,ECU C为了完成之前的功能,则需要处理ECU A和ECU B的数据,所以,单位时间内,ECU C使用CAN总线,可能无法及时地处理这些数据。此时,则需要更高带宽和数据吞吐量的总线,比如:Ethernet。
相比于传统EEA,以域划分的新一代EEA中,Ethernet不仅仅在信息娱乐域、辅助驾驶被广泛使用,各域之间的主干网也将迭代成Ethernet,示意如下所示:
车载以太网的物理连接
既然Ethernet势必进入汽车的舞台,那么,我们就需要从车载嵌入式的视角认识、学习和运用它。
认识Ethernet,不妨先从Ethernet的物理接口开始。Ethernet同CAN、LIN总线一样,发送数据时,需要将数字信号转换成模拟信号(差分电压);接收数据时,需要将模拟信号转换成数字信号。在数/模转换的过程中,Transceiver是必不可少的物理器件。对于其他总线(eg:CAN、LIN、Flexray),我们习惯简称Transceiver为Trcv。对于Ethernet,我们称对应Transceiver芯片为PHY芯片(Physical Layer,物理接口层)。PHY的主要作用是进行数/模转换,而软件处理中,只关注数字信号。谁将数字信号发送给PHY,又是谁接收PHY转换好的数据信号呢?答:MAC(Media Access Control) Controller。
下面一起来了解一下数字信号和模拟信号的转换关系。以太网的物理连接采用非屏蔽双绞线电缆(UTP:Unschielded Twisted Pair),用于传输模拟信号,即:对称差分电压。发送端,数字信号转换成模拟信号,需要编码(Encoding);接收端,将模拟信号转换成数字信号,需要解码(Decoding)。以100BASE-T1为例,使用的编码和解码方式包括:4B3B、3B2T和PAM3(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅度调制)。
以发送为例:发送端通过MII接口将要发送的数字信号流0001 1101 0011 1101 0011 0111进行分组,每3个bit一组。3个bit,有8种组合,对应8种TA、TB关系组合。完成3B2T的转换也就确定了TA和TB上的电压,-1,0,1分别对应-1V、0V、1V。如下所示:
上述100Mbps的通信速率是指MAC与PHY之间的速率交互,但是,数字信号最终要转化成模拟信号(差分电压),之后通过非屏蔽双绞线连接传输,经过3B2T以后的转换,实际在双绞线上,电压的传输频率已经变成66.6MHz,即:66.6MHz的电压频率即可完成100Mbps数字信号的模拟传输。
车载以太网和家用以太网有一定区别,车载以太网需要适应更复杂的外部环境,温度、震动、极端天气等都会对通信质量造成一定影响,因此,常常选择抗干扰更强的UTP连接,当然,UTP的成本也低。车载以太网100Base-T1、1000Base-T1常采用PAM3编码规则,而家用以太网多使用MLT3、PAM5编码规则。车辆以太网中,100Base-T1在一般的网关(Gateway)中都会使用,而1000Base-T1常用在雷达(Rader)、激光雷达(Lidar)或者ADAS等相关控制器中。家用、车载以太网对比如下:
注:上图参考链接https://www.macnica.co.jp/en/business/semiconductor/articles/basic/135828/
工程中,常见的以太网硬件连接,示意如下:
提示:开发过程中,使用RJ45转换器是为了方便连接调试设备或者仿真设备调试,而实际的车载中,并不使用RJ45。
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