汽車智能化背景下的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探究

摘要：現(xiàn)代信息化、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了汽車產(chǎn)品不斷向智能化、網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展，汽車配置技術(shù)水平也得到了大幅提升。汽車智能化背景下，現(xiàn)有的以CAN為主的車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的意境難以滿足其實(shí)際要求，車載以太網(wǎng)以其較高的可靠性和低電磁輻射、低延遲以及寬帶分配等優(yōu)勢，成為汽車智能化發(fā)展中車載網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。本文主要分析了汽車智能化背景下車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，并針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中車載以太網(wǎng)的ECU升級(jí)技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：汽車智能化;車載網(wǎng)絡(luò);以太網(wǎng)

引言：現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展大幅提升了汽車電子技術(shù)水平，其技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用不斷推進(jìn)汽車智能化發(fā)展。隨著汽車智能化水平的不斷提升，汽車產(chǎn)品對(duì)車輛數(shù)據(jù)傳輸寬帶的要求進(jìn)一步提高，要求其進(jìn)一步改進(jìn)通訊方式。傳統(tǒng)的CAN車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的傳輸效率較低，且難以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，已經(jīng)不能滿足智能汽車的發(fā)展需求。車載以太網(wǎng)寬帶高、擴(kuò)展性好，能夠充分滿足智能汽車車載網(wǎng)絡(luò)的寬帶需求，同時(shí)子網(wǎng)通過傳統(tǒng)的CAN等總線及以太網(wǎng)完成各個(gè)汽車電控單元的通信鏈路，然后通過域控制器與主干網(wǎng)進(jìn)行連接。

一、汽車智能化背景下車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展

汽車智能化發(fā)展過程中，借助汽車電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，在未來實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)中，汽車將會(huì)成為一個(gè)人們獲取各種信息的智能移動(dòng)終端。而為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，智能汽車內(nèi)的汽車電控單元（ECU）將會(huì)出現(xiàn)爆炸式增長，并且對(duì)各個(gè)ECU之間的通訊可靠性及實(shí)時(shí)性的要求也將大幅提升。在此背景之下，智能汽車車載網(wǎng)絡(luò)通信呈現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)：一是功能多樣化，ECU的節(jié)點(diǎn)數(shù)量規(guī)模大量增加;二是控制智能化，對(duì)ECU節(jié)點(diǎn)之間的耦合性越來越高，控制數(shù)據(jù)交互不斷增多。針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)，對(duì)智能汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主干網(wǎng)的高寬帶、高擴(kuò)展性要求也大幅提升。以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，其具有低成本、低功耗、低延遲、高可靠性、同步性等優(yōu)勢，成為汽車通信領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。車載以太網(wǎng)具有明顯的寬帶高、擴(kuò)展性能優(yōu)等特點(diǎn)，以其作為車載網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)，能夠有效控制協(xié)調(diào)各個(gè)控制域的信息傳遞。智能汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

二、車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中車載以太網(wǎng)

（一）車載以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種局域網(wǎng)協(xié)議，其技術(shù)誕生與1973年，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，其在局域網(wǎng)技術(shù)中以及實(shí)現(xiàn)了廣泛普及。現(xiàn)階段，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其已經(jīng)從最初的支持吞吐量10Mbps發(fā)展成為吞吐量為100Mbps的快速以太網(wǎng)和1Gbps千兆以太網(wǎng)、10Gbps的萬兆以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)也轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w傳輸。時(shí)至今日，以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為一種具有傳輸速率快、應(yīng)用成本低、應(yīng)用可靠性高等優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過以太網(wǎng)，人們可以實(shí)現(xiàn)文字、圖頻、音頻等各類信息的快速傳輸。

車載以太網(wǎng)是相對(duì)于我們一般應(yīng)用的民用以太網(wǎng)來說的，車載以太網(wǎng)主要是為了滿足汽車環(huán)境下，車載設(shè)備的一些網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。例如車載設(shè)備音視頻同步傳輸要求、車載設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理要求，車載設(shè)備電氣特性要求等等。隨著汽車智能化發(fā)展，車載以太網(wǎng)逐漸成為汽車網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，但車載以太網(wǎng)的應(yīng)用是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，主要可以分成局部網(wǎng)絡(luò)、子網(wǎng)絡(luò)、多子網(wǎng)絡(luò)三個(gè)階段。在局部網(wǎng)絡(luò)階段，主要是對(duì)在局部的單獨(dú)子系統(tǒng)中運(yùn)用車載以太網(wǎng);子網(wǎng)絡(luò)階段就是可以將多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)整合后，形成車載以太網(wǎng)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)的局部應(yīng)用;多子網(wǎng)絡(luò)階段就是在更多子網(wǎng)絡(luò)整合后，形成以車載以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，涉及到車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)域的功能的集成，以實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)的全面應(yīng)用。

（二）車載以太網(wǎng)傳輸?shù)腅CU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其升級(jí)

在車載網(wǎng)絡(luò)中引入以太網(wǎng)之后，車載網(wǎng)絡(luò)的E/E架構(gòu)隨之也會(huì)發(fā)生改變，現(xiàn)階段，汽車Tier 1的供應(yīng)商的不同，以及不同的汽車生產(chǎn)企業(yè)，其車載網(wǎng)絡(luò)的E/E架構(gòu)都會(huì)有所差異。例如，在未來汽車智能化發(fā)展中，博世汽車提出了汽車電子電氣架構(gòu)的演變發(fā)展趨勢。其將汽車電子電氣架構(gòu)的演變進(jìn)程分成了分布式功能模塊階段、功能模塊進(jìn)行合并的階段、多個(gè)域控制器架構(gòu)階段、功能域融合發(fā)展階段、域最終融合階段、遠(yuǎn)景云端計(jì)算階段。從目前來看，車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展仍舊處于混合網(wǎng)絡(luò)階段，主要是傳統(tǒng)的CAN與以太網(wǎng)的混合網(wǎng)絡(luò)。在針對(duì)基于車載以太網(wǎng)傳輸?shù)腅CU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的升級(jí)的研究中，其相較于傳統(tǒng)的CAN總線傳輸?shù)腅CU網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，關(guān)鍵的區(qū)別在于在每個(gè)電控單元設(shè)備中，都有一個(gè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且每個(gè)電控單元設(shè)備可以通過該以太網(wǎng)接口同車載以太網(wǎng)總線進(jìn)行連接，而不再需要原來的CAN總線網(wǎng)絡(luò);在此基礎(chǔ)上，每個(gè)電控單元設(shè)備都有屬于自己的IP地址和MAC地址，外部升級(jí)設(shè)備通過車載自診系統(tǒng)接口連接到車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)口，就能夠完成ECU的升級(jí)。

具體來說，用戶一共有兩種將外部升級(jí)設(shè)備與ECU設(shè)備進(jìn)行連接的方式，一種是直接連接的方式，這種方式是將外部升級(jí)設(shè)備直接通過與車載自診斷系統(tǒng)的接口進(jìn)行連接，從而與車載以太網(wǎng)關(guān)口進(jìn)行連接。這時(shí)的外部升級(jí)設(shè)備同ECU設(shè)備是處于同一個(gè)局域網(wǎng)之內(nèi)的，完成連接后，既可以訪問以太網(wǎng)內(nèi)的ECU設(shè)備，并能夠?qū)υO(shè)備實(shí)施軟件升級(jí)。另一種是遠(yuǎn)程連接的方式，外部升級(jí)設(shè)備與車載以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的連接方式是通過外部設(shè)備接入的外部網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)ECU的升級(jí)操作也是通過外部網(wǎng)絡(luò)訪問以太網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備遠(yuǎn)程操作完成。

在ECU升級(jí)中，主要按照外部升級(jí)設(shè)備獲取ECU設(shè)備列表、與ECU設(shè)備建立連接、安全驗(yàn)證、固件文件傳輸與燒寫四個(gè)步驟。在外部升級(jí)設(shè)備獲取ECU設(shè)備列表中，通過在車載以太網(wǎng)內(nèi)發(fā)起設(shè)備發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，由ECU設(shè)備進(jìn)行識(shí)別并回復(fù)后發(fā)出包括車架識(shí)別、ECU的EID、GID等數(shù)據(jù)信息;外部鏈接設(shè)備根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息建立設(shè)備列表，詳細(xì)列表ECU設(shè)備的名稱、IP地質(zhì)、固件版本、待升級(jí)固件版本等相關(guān)信息。外部設(shè)備與ECU設(shè)備建立連接，在設(shè)備列表人選擇待升級(jí)設(shè)備，通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行三次握手，建立傳輸通道;ECU通過傳輸通道獲取連接請(qǐng)求，回復(fù)確認(rèn)成功后建立通信連接。安全驗(yàn)證主要是確保外部升級(jí)設(shè)備經(jīng)過安全認(rèn)證后進(jìn)行安全訪問，確保更新程序在安全環(huán)境下進(jìn)行。固件文件的傳輸與燒寫，是ECU設(shè)備向外部升級(jí)設(shè)備授權(quán)后，使其具備對(duì)自身固件升級(jí)的權(quán)限。

結(jié)語：汽車智能化發(fā)展是未來智能時(shí)代汽車產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢，在汽車智能化背景下，升級(jí)汽車車載網(wǎng)絡(luò)是滿足智能汽車需求的必然要求。車載以太網(wǎng)是適應(yīng)智能汽車復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信矩陣，促進(jìn)智能汽車車載ECU設(shè)備協(xié)同工作，滿足智能汽車車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)要求的關(guān)鍵技術(shù)。未來，加強(qiáng)對(duì)車載以太網(wǎng)技術(shù)的研究，將會(huì)是氣汽車智能化車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

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作者簡介：鄭宇彤，1997.06，男，漢，江蘇常州人，本科，研究方向：汽修一體化教學(xué)，工作單位：常州冶金技師學(xué)院。