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车载以太网挑战CAN总线

佐思汽车研究 来源:佐思汽车研究 作者:佐思汽车研究 2022-03-23 09:09 次阅读

随着汽车智能化的发展,车载以太网成为先进汽车电子架构必不可缺的一部分,在中心节点,车载以太网已经占据绝对优势地位,但在边缘节点,CAN、CAN-FD和FlexRay等总线依然占据主要地位,特别是CAN。这使得汽车电子架构难以达到真正的Zonal级别,只能停留在域控制器级别。要想软件定义汽车或者说服务导向架构,Zonal架构都是必须要做到的。

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图片来源:互联网

典型的Zonal架构,就是服务器的概念,通过车载以太网骨干网,超级计算核(即服务器或高性能计算即HPC)处理所有节点的计算需求。汽车变成类似于PC的架构,软硬件彻底分离,硬件统一,绝大部分工作都是软件,依靠LINUX操作系统与自适应AUTOSAR,硬件对程序员完全透明化。

目前有两大领域,一个是传感器领域,一个是执行器领域,急需要车载以太网取代传统的CAN总线,传感器领域主要是超声波传感器、毫米波雷达传感器、用于紧急呼叫的麦克风,最后还有用于动力传递部分的位置、速度、压力、温度等传感器。执行器领域主要是灯光,包括前大灯,内部灯,氛围灯;扬声器,车门扬声器、超低音扬声器、紧急呼叫扬声器;最后是各种电机,包括车窗、各种镜子、泵、雨刷等。

2020年3月,IEEE发布了802.3cg标准,即10 Mb/s Single Pair(10SPE),不仅可以用于汽车,还有工控和楼宇自动化领域。标准分两个,一个为10BASE-T1L,用于楼宇自动化和工控,最大距离1公里,全双工,点对点传输。另一个是10BASE-T1S,用于汽车,最大距离25米。宝马和通用已经确认将在下一代汽车中用10BASE-T1S取代CAN总线。

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图片来源:互联网

10BASE-T1S只是物理层标准,链路层也有微小变化,其余无变化,对软件工程师来说完全透明,无需理会。

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图片来源:互联网

上图为今天最先进智能车(当然不是特斯拉)的电子架构,谈到电子架构的先进程度,奔驰、宝马和通用都在特斯拉之上。特斯拉还在使用老旧的非车载级以太网。

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图片来源:互联网

未来的汽车电子架构,CAN与FlexRay都被以太网取代。这种车载以太网就是10BASE-T1S。

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图片来源:互联网

目前先进域控制器都是使用100BASE-T1或1000BASE-T1车载以太网,这种设计是性能至上,要想取代CAN,成本最关键。10BASE-T1S的出发点是三个,低成本、低功耗,低电磁辐射。这里的成本指整体成本,10BASE-T1S使用单对非屏蔽双绞线,无论连接器、线缆成本都比CAN要低,线缆重量也要低大约50%。此外可以通过以太网供电,无需单独供电线路。

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图片来源:互联网

10BASE-T1S使用PLCA,即PhysicalLayer Collision Avoidance,物理层冲突避免。保证低延迟和高可靠性。其采用半双工机制,通过一个BEACON按日程表每周期通讯(cyclic communication scheduled over a BEACON),BEACON是一个坐标节点规律发送的标记,每发送一个BEACON,每一个节点都有机会发送数据 After each transmitted BEACON, each station is granted a transmitopportunity (TO)。

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图片来源:互联网

10BASE-T1S采用CSMA/CD,Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection 载波监听多点接入/碰撞检测协议传输数据。但附加了PLCA,IEEE在测试中发现,附加PLCA后,带宽利用效率最高。

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图片来源:互联网

附加PLCA后延迟也大大低于传统的CSMA/CD,不会高于1毫秒。为避免兼容性问题,PLCA是可选项,也可以不用,兼容一些比较老的MCU

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图片来源:互联网

10BASE-T1S的另一个特色是Multidrop mode,无需交换机或网关的加入即可实现多节点。

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这种网络架构里有一个称之为协调者Coordinator,其他为Drop Node,不太严格地说,协调者类似主,DropNode是从。

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图片来源:互联网

10BASE-T1S可以兼容现在的TC6或TC14标准,但PCLA必须要802.3cg。

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图片来源:互联网

软件方面,2020年11月版的经典AUTOSAR支持RMII/MII物理层,2021年11月版支持MACPHY。

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图片来源:互联网

诊断、时钟同步和安全方面的特色如上,未来还会加入睡眠唤醒和新拓扑架构。

目前10BASE-T1S物理层芯片常见的只有Microchip的LAN8670/1/2,德州仪器ADI正在开发中,它们有针对工控和楼宇自动化的10BASE-T1L物理层芯片。

LAN8670/1/2典型应用图

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LAN8670/1/2内部框架图

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10BASE-T1S暂时还无法撼动CAN总线在汽车领域的地位,但是CAN-FD和FlexRay将受到10BASE-T1S的强力挑战,拿下CAN-FD和FlexRay之后,10BASE-T1S会挑战CAN,届时车内只会存在以太网和LIN两种总线。

审核编辑 :李倩

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原文标题:车载以太网挑战CAN总线

文章出处:【微信号:zuosiqiche,微信公众号:佐思汽车研究】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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