CAN-FD和以太網(wǎng)共筑未來十年的汽車數(shù)據(jù)總線 — 快速、可靠(下)

接上篇
5 從 CAN 遷移到 CAN-FD
引入 CAN-FD 不會影響目前使用的諸如 LIN 和 MOST 等汽車網(wǎng)絡(luò)。要想把 CAN-FD 引入現(xiàn)有的 CAN 網(wǎng)絡(luò)，需要 有適當(dāng)?shù)倪w移路徑。這是因為， CAN-FD 兼容性節(jié)點除了能 接受 CAN-FD幀外，也能接受當(dāng)前的 CAN 幀，而不會出現(xiàn) 任何錯誤。但是，如果存在 CAN-FD 幀，常規(guī) CAN 節(jié)點會 在網(wǎng)絡(luò)上生成錯誤幀。OEM 可以通過幾種措施來減輕遷移 至真正 CAN-FD 網(wǎng)絡(luò)所需完成的工作量。
典型方案：
? 網(wǎng)絡(luò)中部署的新 ECU 必須能夠兼容 CAN-FD，同時還 必須能采用當(dāng)前的 CAN 通信幀格式進(jìn)行操作。
? 微控制器必須能夠兼容 CAN-FD。
? 升級軟件時，僅集成對上層軟件沒什么影響或影響極 小的 CAN 驅(qū)動軟件。
? 借助軟件更新，引入 CAN-FD 幀格式，從而達(dá)到更高 的數(shù)據(jù)速率。
? 通過限制載荷不超過 8 字節(jié)，可以限制僅 CAN 驅(qū)動
器能夠進(jìn)行軟件更改。
? 在 Bosch（博世公司）開展的一系列試驗已證實，當(dāng) 前的收發(fā)器可以幫助達(dá)到 2.5Mbps 的平均數(shù)據(jù)速率[2]。
? 在 CAN-FD 操作期間使用“局部網(wǎng)絡(luò)”?，F(xiàn)有 CAN網(wǎng) 絡(luò)的收發(fā)器保持被動斷開或關(guān)閉狀態(tài)。您可以采用以下措施 來實現(xiàn)一個真正的 CAN-FD 兼容網(wǎng)絡(luò)：更新軟件，使其支持 高達(dá) 64字節(jié)的載荷大小，從而實現(xiàn)高帶寬利用率；或者，使用兼容 CAN-FD 的收發(fā)器來達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率。

6 總結(jié)
? CAN-FD 在保持與現(xiàn)有 CAN 網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)某杀镜幕A(chǔ) 上，大大提升了吞吐量。CAN-FD 能夠提供額外的帶寬和很 高的速率。這有助于減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目。
? CAN-FD 通過改進(jìn)的 CRC 多項式，維持與現(xiàn)有 CAN
一樣的可靠性。

7 車載以太網(wǎng)
2008 年， BMW（寶馬公司）成了首個在汽車車頭的車 載診斷系統(tǒng) (OBD) 中使用以太網(wǎng)的 OEM 。
使用以太網(wǎng)作為車載網(wǎng)絡(luò)有諸多優(yōu)勢：
? 支持以太網(wǎng)的器件的量產(chǎn)大幅降低了成本；
? 對安全性、功能和性能沒有任何負(fù)面影響的帶寬可擴(kuò) 展性；
? 適用汽車內(nèi)外的各種連接選件；
? 通過變壓器耦合實現(xiàn)電流隔離。
BMW 只是在車庫維修服務(wù)站使用以太網(wǎng)，并沒有用在 汽車的數(shù)據(jù)總線上。還從未看到使用以太網(wǎng)作為核心車載數(shù) 據(jù)總線的情況。最近的兩項發(fā)展推動了以太網(wǎng)的崛起：
? 最近發(fā)布的 MOST150 標(biāo)準(zhǔn)也集成了以太網(wǎng)通道；
? 能夠通過非屏蔽雙絞線以高達(dá) 100mbps 的速度發(fā)送 數(shù)據(jù)的低成本、高速度 PHY（物理接口集成電路）的發(fā)展 Bosch 預(yù)測，在不久的將來，以太網(wǎng)可能會成為事實上的電氣/電子設(shè)備主干。

8 以太網(wǎng)使用案例
8.1  信息娛樂系統(tǒng)
目前的信息娛樂系統(tǒng)還主要是專屬系統(tǒng)，不可擴(kuò)展。 車載以太網(wǎng)將會解決這個問題，最先得到證實的使用案例就 是音頻/視頻數(shù)據(jù)的傳輸。
為了改善以太網(wǎng)異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性行為，  IEEE
發(fā)布了以太網(wǎng)AVB 協(xié)議（ IEEE 802.1 AS、 QAT、 QAV 和 BA）。以太網(wǎng) AVB針對音頻和視頻數(shù)據(jù)的同步傳輸定義了 一種機(jī)制，以確保低延遲。
為了實現(xiàn) AVB，以太網(wǎng) MAC 外圍器件必須帶有以下專 有功能：
? 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的時間標(biāo)記；
? 區(qū)分各種 IEEE1588 消息的能力；
? 支持特定  IEEE1588 消息的硬件時間標(biāo)記以實現(xiàn)高準(zhǔn) 確性；
? 準(zhǔn)確度可以達(dá)到十億分之一秒的高分辨率定時器；
? 基于信用的流量整形器；
? 在 AVB 網(wǎng)絡(luò)上，基于信用的流量整形對任何傳輸都是 強(qiáng)制性的；
? 考慮到數(shù)據(jù)包的高傳輸速率（ A 類網(wǎng)絡(luò)中每 125微秒
一次），在軟件中對每個數(shù)據(jù)包整形將會給 CPU。
帶來很大的負(fù)擔(dān)。在硬件中實現(xiàn)的流量整形器可以大 大降低 CPU 負(fù)擔(dān)。實時音頻/視頻數(shù)據(jù)的實際傳輸是通過 IEEE P1722 數(shù)據(jù)包處理的（圖9，82頁)。
8.2  先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)
以太網(wǎng)能夠集成信息娛樂、遠(yuǎn)程信息處理以及先進(jìn)的 駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 等功能，例如，全景影像泊車和車 道偏離警告。當(dāng)前的 LVDS（低電壓差分信號）單攝像頭系 統(tǒng)將逐漸發(fā)展為帶有多個高分辨率攝像頭的各式應(yīng)用。來自 這些攝像頭、雷達(dá)和定位服務(wù)的影像將合并在一起，最終構(gòu) 成行車周邊的鳥瞰視圖。要想傳輸來自多個源而且如此大量 的數(shù)據(jù)，可擴(kuò)展的以太網(wǎng)絕對是最佳選擇。ISO17215 以太 網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前正在開發(fā)中。它將規(guī)范應(yīng)用于車載攝像頭系統(tǒng)與 駕駛員輔助功能的通信協(xié)議。
8.3  節(jié)能以太網(wǎng)  (EEE)
IEEE802.3az 是一種節(jié)能以太網(wǎng) (EEE)。它引入了省電 模式和喚醒功能，以便在設(shè)備不使用時節(jié)省電能。它還能在數(shù)據(jù)活動較少時降低功耗。以太網(wǎng) MAC 支持 EEE 功能。
8.4  電動汽車充電站  - 智能充電
ISO15118 是一個汽車到電網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。它描述了與充 電站建立連接的機(jī)制、證書鑒定、數(shù)據(jù)交換計量、充電狀態(tài)
/檔案以及支付形式。使用以太網(wǎng)后，就不再需要使用任何
網(wǎng)關(guān) ECU 來與充電站進(jìn)行通信。
8.5  診斷
在逐漸向使用以太網(wǎng)進(jìn)行診斷的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了 多個標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是最適合診斷的一種方式，因為它能輕松 連接到 PC或筆記本上安裝的工具。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有 ISO/PAS
27145 和ISO13400。
8.6  聯(lián)網(wǎng)汽車
智能電話已連接到汽車，汽車將能夠與周邊的生態(tài)系 統(tǒng)進(jìn)行交互。汽車能夠交換與通信狀況、地勢、氣候狀況以 及地圖系統(tǒng)相關(guān)的實時信息。它們把所有這些信息結(jié)合在一 起，就可以建議路線、計算駕駛時間、估算距離、呈現(xiàn)城市 的三維地圖以及輸入/輸出音頻/視頻數(shù)據(jù)流。以太網(wǎng)可能是 接入互聯(lián)網(wǎng)高速路最簡單的途徑。
8.7  以太網(wǎng)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)主干
網(wǎng)絡(luò)主干負(fù)責(zé)把具有不同協(xié)議和/或運(yùn)行速度的各種 子網(wǎng)相互連接在一起。具有 1500 字節(jié)載荷限制和速度高達(dá)
100mbps的以太網(wǎng)最適合把多個消息聚合為單個數(shù)據(jù)包。您
可以使用IEEE1722 和 P1722a 封裝子網(wǎng)協(xié)議。您可以把跨網(wǎng) 關(guān)發(fā)送的、源自子網(wǎng)的多個 CAN-FD 消息聚合為單個以太網(wǎng) 消息。作為一種異步協(xié)議，以太網(wǎng)的絕對速度克服了對嚴(yán)格 時序公差的依賴。消息緩沖區(qū)減少了時序抖動，并增加了時 延容差。

9 遷移到以太網(wǎng)
隨著帶 MII 或 RMII 接口的新型 PHY 的發(fā)展，半導(dǎo)體 供應(yīng)商開始引入帶有以太網(wǎng) MAC 外圍器件的汽車微控制 器。這為 OEM提供了可擴(kuò)展的帶寬、更快的網(wǎng)速以及專屬 MOST 網(wǎng)絡(luò)的有效替代方案。汽車行業(yè)也開始規(guī)范化以太網(wǎng) 平臺，以方便在包括駕駛員輔助、信息娛樂和安全等各式各 樣的系統(tǒng)中使用。這有利于降低成本，方便集成，簡化從多 個供應(yīng)商的器件采購。

10 總結(jié)
當(dāng) 面 臨 高 帶 寬 數(shù) 據(jù) 傳 輸 需 求 時 ， 汽 車制造商可以在 LVDS 和MOST 之間選擇。LVDS 速度快但成本高，因為它需要屏蔽纜線。 MOST 速度也很快，而且具有出色的 EMC 特性，但它
所需的光纖造價非常高，生產(chǎn)難度很大。現(xiàn)在，以太網(wǎng)取代 了昂貴的 LVDS 系統(tǒng)，特別是在駕駛員輔助攝像與信息娛樂 系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍。當(dāng)前的 100mbps 鏈路足以連接汽車中 的各個端點。然而，汽車行業(yè)很快就會需要速度達(dá)千兆位的 鏈路，確保以太網(wǎng)成為汽車電子架構(gòu)的主干網(wǎng)。
參考文獻(xiàn)：
[1]The Hansen Report on Automotive Electronics, "CAN FD Positioned for Success", Portsmouth/NHUSA, Vol. 25, No. 10, Dec. 2012/Jan. 2013
[2]Florian Hartwich, Robert Bosch GmbH, "CAN with
Flexible Data-Rate" online at http://www.can-cia.org/fileadmin/cia/files/icc/13/hartwich.pdf
[3]Christoph Hammerschmidt, "Ethernet succeeds in automotive environments", Oct. 14, 2011
EETimes automotive Europe, online at http://www.
automotive-eetimes.com/en/ethernet-succeeds-inautomotive- environments.html?cmp_id=7&news_
id=222901844
[4]EETimes, "Ethernet to gain ground in automotive applications, Bosch predicts", Feb. 5, 2011, online at http://www.eetimes.com/electronics-news/4212870/ Ethernet-to-gain-ground-in-automotive-applications-- Bosch-predict