環(huán)形以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)研究與設計

石如泉　徐嫚　黃祖朋　謝佶宏　邵杰

摘 要：文章深入分析了傳統(tǒng)汽車的網(wǎng)絡總線類型以及網(wǎng)絡架構(gòu)特點，結(jié)合未來汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢，在傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡的基礎上提出了一種新型的高帶寬、快速、極簡的環(huán)形以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，適應了未來汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：電動汽車 總線 以太網(wǎng) 域控制器

1 引言

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，各個行業(yè)的新興科技產(chǎn)品不斷推出，人們對于日常使用的產(chǎn)品的性能要求也越來越高。汽車，作為人們出現(xiàn)的基本工具，人們早已不滿足于其最原始的單單行駛的這一功能，而是提出了智能化、網(wǎng)聯(lián)化的智能移動空間等更高的需求。為了跟上人們的需求節(jié)奏，汽車行業(yè)必須進行各種技術(shù)革新，而車載網(wǎng)絡的革新則是關(guān)鍵的一環(huán)。

眾所周知，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的前提是大量電子器件的廣泛應用，而大量電子器件的廣泛應用會使傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡架構(gòu)面臨著諸多問題，主要表現(xiàn)為：1）傳統(tǒng)CAN總線在帶寬上不能滿足智能駕駛、影音娛樂等使用場景的需求;2）汽車傳感器和控制器的應用越來越多，網(wǎng)絡架構(gòu)越來越復雜，導致總線負載率過高，降低了數(shù)據(jù)信息的實時性，威脅行駛安全;3）產(chǎn)品軟件更新迭代快，面對動則數(shù)個吉字節(jié)大小的軟件更新包，傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡架構(gòu)無法支持實現(xiàn)OTA升級。

為了解決上述傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡架構(gòu)中存在的問題，本文提出了一種新型的環(huán)形以太網(wǎng)汽車網(wǎng)絡架構(gòu)，以滿足汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展需求，推動汽車行業(yè)的快速發(fā)展。

2 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡介紹

將汽車上所有電子的傳感器、執(zhí)行器以及電子控制單元進行有效連接，構(gòu)成的通信形式稱之為汽車網(wǎng)絡。汽車功能的復雜程度與汽車上ECU（電子控制單元）的使用數(shù)量成正比，汽車功能簡單則ECU的數(shù)量就少，并且通過點對點進行通信即可滿足要求;當汽車的功能變得復雜時，ECU的數(shù)量會相應增多，通過點對點的方式已無法滿足汽車通信要求，需要采用其它的通信方式。其中，CAN和LIN車載網(wǎng)絡在汽車中的應用最為頻繁，MOST和FlexRay總線網(wǎng)絡則大多應用于高端汽車中。根據(jù)傳輸類型之間存在的差異，可以將車載總線分為CAN、LIN、FlexRay以及MOST四種。

2.1 CAN總線

在以上4種傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡總線中，CAN總線是應用最廣泛的車載總線，能夠?qū)ζ嚨碾娮硬考?、發(fā)動機以及底盤等進行有效地電子控制，對于錯誤的監(jiān)測和其他智能化的處理機制都比較可靠，可以傳輸8 Byte數(shù)據(jù)，并且其成本還相對較低。然而，CAN總線的帶寬最高限值只有1Mb/s，隨著ECU的增加，CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變得異常復雜，一些只能在高帶寬下才能使用的功能無法在該架構(gòu)上實現(xiàn)。

2.2 LIN總線

LIN總線是一種低成本和低速率的主從式串行通信總線，往往使用于電動門窗、電動天窗以及座椅調(diào)節(jié)等傳感器信號采集這種不需要使用CAN總線帶寬和多功能的場合，其對CAN總線通信具有一定的補充作用。

2.3 FlexRay總線

FlexRay是一種以時間戳協(xié)議為基礎的高性能、高可靠性的實時總線，其最大特點是傳輸精確、快速，數(shù)據(jù)發(fā)送至目標地址只需要1μs，在對安全實時性具有高要求的線控轉(zhuǎn)向和線控剎車方面有著廣泛的應用。

2.4 MOST總線

MOST則是一種面向媒體系統(tǒng)的傳輸總線，在導航和CD等娛樂系統(tǒng)中應用最為廣泛。MOST的傳輸介質(zhì)主要為光纖，但是傳輸?shù)目煽啃院艿汀?/p>

3 環(huán)形以太網(wǎng)模型

3.1 以太網(wǎng)介紹

以太網(wǎng)承擔了對汽車大數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)淖饔?，是汽車智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展的關(guān)鍵路徑，也是未來電動汽車網(wǎng)絡構(gòu)架發(fā)展的必然趨勢。在環(huán)形以太網(wǎng)整個網(wǎng)絡構(gòu)架中，主網(wǎng)絡為以太網(wǎng)，子網(wǎng)絡則為娛樂系統(tǒng)和輔助駕駛系統(tǒng)，這二者具有傳統(tǒng)動力底盤以及車身舒適系統(tǒng)的所有性能。在輔助駕駛系統(tǒng)中，因為要對駕駛?cè)藛T的狀態(tài)進行智能檢測，所以需要使用以太網(wǎng)對高清的攝像頭以及高精度雷達的大數(shù)據(jù)進行傳輸。對于車輛的行駛狀態(tài)、路標的設置以及雷達數(shù)據(jù)等與車輛行駛相關(guān)的數(shù)據(jù)，也可以通過以太網(wǎng)傳輸?shù)皆贫?。在娛樂系統(tǒng)中，以太網(wǎng)的主要作用是對語音視頻等影音數(shù)據(jù)進行傳輸。對于娛樂設施的管理和使用，可以輔助于無線網(wǎng)絡以及藍牙，給乘客帶來更加舒適完美的體驗效果。

3.2 需求分析設計

基于引言提出的傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡存在的問題，環(huán)形以太網(wǎng)模型可以完美地將其解決：1）環(huán)形以太網(wǎng)通信帶寬可達到1000Mb/s，完全滿足當前汽車智能駕駛、影音娛樂等高帶寬的要求;2）環(huán)形以太網(wǎng)模型是一種采用了域控制器的網(wǎng)絡架構(gòu)，通過控制器上移集中，能夠?qū)⒖刂破鳒p少到五個以內(nèi)，架構(gòu)可以做到極簡（圖2）;3）車載TBOX接收來自云端的OTA更新包，然后再通過高帶寬的以太網(wǎng)導入車載控制器，可快速完成OTA升級（圖2）。

3.3 環(huán)形以太網(wǎng)模型設計

傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡架構(gòu)一般可以將汽車分為車身總線、底盤總線和整車總線。隨著用戶對車輛功能需求的增加，一些車輛還會新增影音娛樂總線和智能駕駛總線。本文參照傳統(tǒng)車的架構(gòu)模型，設計了一種基于域控制器的以太環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1）車身域控制器：將傳統(tǒng)車身總線上的控制器集成在車身域控制器上，各傳感器與車身域控制器通過CAN線連接，域控制器直接控制儀表、門窗、空調(diào)等。影音娛樂的設備（如平板手機等）直接通過無線以太網(wǎng)連接車載TBox接入整車網(wǎng)絡，從而與車內(nèi)網(wǎng)絡進行交互（控制門窗空調(diào)等）。

2）整車域控制器：將傳統(tǒng)的整車總線上的控制器集成到整車域控制器上，各傳感器與整

車域控制器通過CAN線連接，域控制器直接對電機和電池進行控制。

3）智能駕駛控制器：除將傳統(tǒng)底盤總線的控制器集成在智能駕駛控制器上外，還集成了智能駕駛總線上的控制器，這兩個總線上所有傳感器通過CAN線連接域控制器，對帶寬需求大的傳感器使用以太網(wǎng)連接（攝像頭、雷達等）。

4）環(huán)形以太網(wǎng)絡：各域控制器之間使用以太網(wǎng)進行信息交互，例如車身域控制器可以通過環(huán)網(wǎng)獲取智能駕駛域控制器的攝像頭信息，將攝像頭的影像信號傳遞給影音娛樂設備上。

與傳統(tǒng)總線網(wǎng)絡架構(gòu)相比，基于以太網(wǎng)的環(huán)形網(wǎng)絡架構(gòu)具備以下幾個優(yōu)勢：1）控制器上移集中，從原來的幾十個減少至五個以內(nèi)，優(yōu)化網(wǎng)絡架構(gòu)、減少線束成本;2）高帶寬低時延的網(wǎng)絡通訊，滿足了車輛智能化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化的通訊需求;3）以太網(wǎng)接入云端，各域控制器可實現(xiàn)秒級OTA;4）生態(tài)開放，車載娛樂設備可直接通過TBox無線接入整車以太網(wǎng)絡。

4 結(jié)論

隨著汽車技術(shù)不斷向智能化、和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，車輛集成的功能在不斷地增加和優(yōu)化，促使了車載網(wǎng)絡架構(gòu)技術(shù)的不斷進步。本文基于對傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡架構(gòu)的深入研究分析，在其基礎上進行優(yōu)化創(chuàng)新，提出了一種新型的環(huán)形以太網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)模型，滿足了汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化對車載網(wǎng)絡的更高要求?？梢灶A見在不久的將來，基于域控制器的以太網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)將會逐漸取代傳統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡架構(gòu)。

基金項目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展專項資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目（2018AD20501）

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