第三代車載網(wǎng)關(guān)—車載以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

王娟

（重慶工程學(xué)院 404100)

1 前言

隨著汽車電子迅猛發(fā)展，整車上控制器越來越多，通常汽車控制器數(shù)量在20～25之間需要有獨立網(wǎng)關(guān)，俗稱第二代網(wǎng)關(guān)。第二代網(wǎng)關(guān)通常包含5～6個子網(wǎng)（新能源車為例），如圖1所示。

圖1 第二代網(wǎng)關(guān)示意圖

這5個子網(wǎng)分別為啟動網(wǎng)、舒適網(wǎng)、動力網(wǎng)、ECM網(wǎng)和ESC網(wǎng)，啟動網(wǎng)主要包含ECL、BCM和I-KEY網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)啟動加密認證功能。舒適網(wǎng)包含多功能顯示屏、夜視系統(tǒng)、抬頭顯示、SRS、PM2.5檢測、空調(diào)控制器、PTC、多功能顯示屏、TPMS、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向盒開關(guān)和全景ECU等，實現(xiàn)與舒適性相關(guān)的功能。動力網(wǎng)包含組合儀表、BMS、車載充電器、電池加熱器、模式開關(guān)、漏電傳感器和電池管理器等，實現(xiàn)電池動力調(diào)節(jié)與輸出，ECM網(wǎng)包含后驅(qū)動電機控制器、擋位控制器、前驅(qū)動電機控制器及DC-DC等，實現(xiàn)電機動力加速、減速、換擋等功能。ESC網(wǎng)包含SAS、EPB、R-EPS、AFS和診斷口等，實現(xiàn)電子駐車、自動隨車轉(zhuǎn)向和安全氣囊功能[1]。

隨著智能駕駛技術(shù)興起，許多與輔助駕駛相關(guān)的配置應(yīng)運而生，例如360環(huán)視系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、HUD和ACC自適應(yīng)巡

航系統(tǒng)等。這就要求各種傳感器和雷達與控制器進行實時數(shù)據(jù)交換，以前傳感器和雷達采集數(shù)據(jù)主要是電壓、電流及距離信號，這種信號占用信道寬度不大，對傳輸速率要求不高，500 bit/s就可以滿足信號傳輸和交互的需求。ADAS系統(tǒng)采集信號為視頻信號、位置信號以及音頻信號，特別是車聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用、全液晶顯示屏與中控顯示屏雙屏互動使用這對數(shù)據(jù)傳輸實時性提出更高的要求，提高傳輸速率呼聲越來越高。

2 車載以太網(wǎng)技術(shù)

2.1 什么是車載以太網(wǎng)

車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)控制器的車載網(wǎng)技術(shù)，與使用4對非屏蔽雙絞線（UTP）電纜的民用以太網(wǎng)有所不同。車載以太網(wǎng)使用對非屏蔽雙絞線數(shù)據(jù)傳輸速率可達到100 Mbit/s甚至1 Gbit/s的，滿足采用L2～L3級自動駕駛汽車對信號，特別是視頻或音頻信號傳輸?shù)母呖煽啃?、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。

車載以太網(wǎng)的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù)，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術(shù)已經(jīng)由單線對以太網(wǎng)聯(lián)盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標準化。 車載以太網(wǎng)的MAC層采用IEEE 802.3的接口標準，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)類似，支持高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP/IP）。

2.2 車載以太網(wǎng)主要標準

車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)汽車總線類似，遵循一定通訊協(xié)議與規(guī)范，車載以太網(wǎng)通訊規(guī)范包括以下幾個方面：物理層設(shè)計規(guī)范；物理層測試規(guī)范；診斷通訊協(xié)議規(guī)范。其中在視頻與音頻傳輸協(xié)議采用AVB協(xié)議集，具體情況如下。

（1）精準時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol ，簡稱PTP）——IEEE 802.1AS。

（2）流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）——IEEE802.1Qat。

（3）隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱 Qav）——IEEE 802.1Qav。

（4）音視頻橋接系統(tǒng)（Audio/Video Bridging Systems）——IEEE 802.1BA。包括：①IEEE 1722-2011，橋接局域網(wǎng)中的時間敏感應(yīng)用第二層傳輸協(xié)議標準。②IEEE 1733-2011，橋接局域網(wǎng)中的時間敏感應(yīng)用第三層傳輸協(xié)議標準[2]。

2.3 車載以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)路線

目前絕大多數(shù)主機廠車載以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的方案，是在第二代獨立網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)，把與信息交互要求較高的子網(wǎng)換成以太網(wǎng)，這樣既可以節(jié)省開發(fā)時間與周期，又可以降低電氣架構(gòu)總成本，更重要的是降低開發(fā)難度和測試難度。其主要技術(shù)路線如下：需要高實時性、高交互性控制器，例如HU、360全景系統(tǒng)、組合儀表（全液晶）、行車記錄儀、后排娛樂系統(tǒng)及診斷系統(tǒng)，采用速率為100 M以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)進行信息交換，車內(nèi)網(wǎng)仍有些控制器對信息交互速率要求不高，可繼續(xù)采用500 bit/s總線方式進行信息交互，采用哪種方式進行信息交互，取決于要實現(xiàn)的功能[3]。診斷系統(tǒng)由于要實現(xiàn)控制器系統(tǒng)更新、診斷，特別是中控顯示屏的APP更新，地圖菜單所占數(shù)據(jù)量巨大，通常8 Gb左右，若仍采用總線通訊方式，僅地圖更新要耗時近5個小時，顯然不能滿足用戶的需求。所以診斷系統(tǒng)也需要采用以太網(wǎng)進行信息傳輸與交互（圖2）。

圖2 利用以太網(wǎng)進行系統(tǒng)信息傳輸

相比第二代網(wǎng)關(guān)，車載以太網(wǎng)測試項目與難度陡增，傳統(tǒng)手工測試已經(jīng)不滿足需要，所以基于車載以太網(wǎng)自動化測試設(shè)備就成為必備的工具。測試主要分為單體測試和系統(tǒng)集成測試，測試所包含具體內(nèi)容如下（圖3）。

圖3 車載以太網(wǎng)測試表

物理層測試，主要測試轉(zhuǎn)發(fā)器輸出電壓、轉(zhuǎn)發(fā)器輸出頻率、轉(zhuǎn)發(fā)器峰值電壓、差分電壓、轉(zhuǎn)發(fā)器失真性、轉(zhuǎn)發(fā)器抗干擾、轉(zhuǎn)發(fā)器時鐘頻率和MDI輸出抖動。

數(shù)據(jù)鏈路層測試，根據(jù)通訊協(xié)議所采用的標準（802.3、EthernetⅡ、802.1Q、802.1ad、802.1ah、1722）所對應(yīng)測試規(guī)范（OPEN ALLIANCE TC8 Member），完成相關(guān)數(shù)據(jù)鏈路層的測試。

協(xié)議層測試，協(xié)議層按照主機廠所采用協(xié)議IPV4或者IPV6，網(wǎng)絡(luò)層UDP或TCP所對應(yīng)測試規(guī)范（OPEN ALLIANCE TC8 Member），完成相關(guān)測試[4]。

系統(tǒng)集成測試，與傳統(tǒng)汽車總線開發(fā)類似，控制器完成單體測試后，還要根據(jù)系統(tǒng)功能完成系統(tǒng)集成測試，觀察汽車控制器在不同工況下，評估信息傳輸?shù)膶崟r性、準確性及冗余性。首先在實驗室里面搭建功能臺架，通常用一臺自動化測試設(shè)備給不同控制器發(fā)觸發(fā)信號，觀察記錄控制器動作，自動判斷控制器動作是否符合設(shè)計規(guī)范，臺架測試合格后，基本上解決絕大多數(shù)可能出現(xiàn)問題。最終將各個控制器裝車后，在不同工況下（高速、低速、顛簸路、城市路況等）打開電氣各項功能，觀察信號傳輸狀態(tài)，杜絕一切因設(shè)計缺陷所引起的電氣故障。

3 結(jié)束語

汽車以太網(wǎng)發(fā)展已近步入快車道，其本質(zhì)上與總線有著天壤之別，這一區(qū)別必將導(dǎo)致新一輪汽車控制器升級換代，目前采用以太網(wǎng)控制器軟、硬件成本偏高，但隨著芯片用量大幅攀升，必將導(dǎo)致硬件成本降低，最終將與目前使用總線通訊控制器成本持平。