车载网络系统的发展和解决方案

描述

车载网络系统的革命性发展

随着汽车电气化的快速发展,除了朝向电池驱动的纯电化发展之外,传统车辆也开始采用大量的电子系统,通过部署大量的传感器、处理器和执行器来提升功能、安全性和效率,车辆的复杂性正迅速增加。随着汽车技术的发展,对车载网络(IVN)系统的需求也与日俱增,需要更高的带宽和更低的延迟通信来确保功能和安全。本文将为您介绍车载网络系统的发展,以及由安森美(onsemi)所推出的相关解决方案。

车载网络协议满足汽车的

性能和带宽需求

随着汽车电子应用的发展,多年来,市场上已经制定了几种主要(或专门)用于车载网络的协议,虽然每种协议都有独特的属性,但由于架构的不断变化和车载网络内传输的大量数据,这些协议仍然难以满足当今汽车的需求。因此,汽车制造商正在寻找新的方案来提供必要的性能和带宽。

在各种网络协议之中,以太网曾是一种显而易见的选择,因为它在计算领域被广泛采用,带宽相对较高,成本合理。然而,它应用于汽车有一个显着的缺点,就是无法以时间敏感模式或确定性模式运行。这是由于以太网运行所固有的载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)协议导致的。

为了使汽车行业能够利用以太网的优势,已经制定出一种新的协议。这种汽车专用协议版本被称为10BASE-T1S,它用物理层冲突避免(PLCA)取代了CSMA/CD,以实现对于线控驱动和高级驾驶辅助系统(ADAS)至关重要的确定性运行。

由于具备高带宽和低延迟的特性,汽车以太网越来越广泛地用于车载信息娱乐系统和ADAS系统。以太网对于实现诸如车辆到车辆(V2V)和车辆到基础设施(V2I)通信等连接功能发挥重要作用,这对提升安全管理至关重要。

随着车辆越来越依赖数据驱动,对更高带宽的需求也将不断增长,以支持自动驾驶、高清/4K视频流和增强现实应用等先进功能。以太网网络必须提供更快的数据传输速率。未来的汽车以太网网络还应具备超低延迟,以实现自动驾驶的快速决策和响应。

建立完善的车辆架构和成像解决方案

对于汽车制造商来说,车辆内不同子系统的组织和互连是需要考虑的重要因素。通常,子系统按功能(例如,传动系统、底盘、舒适度)进行组织,而与它们在汽车中的位置无关。这会导致布线数量增多,从而增加车辆的成本和重量。

近来,首选方法是根据子系统在汽车中的位置将其“分区”,分区架构兼具扩展性和灵活性,能够相对轻松地执行删除、添加或升级子系统等更改。它还允许部署冗余和容错组件,这对于实现关键系统所需的功能安全级别至关重要。

虽然分区架构的设计减少了对布线的需求,但也显着增加了车载网络骨干传输的数据量,需要更高的带宽、性能和低延迟。为实现自动紧急制动(AEB)等ADAS功能,传感器和控制电子器件遍布整个汽车,安全可靠的系统运行依赖于时间敏感网络(TSN),以消除任何延迟差异。

毫无疑问,具确定性的10BASE-T1S以太网将在未来车辆中发挥重要作用,特别是在分区架构的骨干网络方面。MOST和FlexRay等协议不太可能在新设计中使用,但预计LIN和CAN将继续发挥作用,特别是在各个“分区”内。

此外,还将继续进一步制定其他协议,包括MIPI联盟的摄像头串行接口2(CSI-2)和显示器串行接口(DSI-2),这些协议对于当今汽车中ADAS和信息娱乐系统连接高分辨率摄像头、传感器和显示器至关重要。另外,MIPI联盟和汽车SerDes联盟(ASA)正在开发标准化SerDes方案,并致力于研究提高MIPI协议的安全性,并实现摄像头的非对称以太网,其中涉及以高带宽进行发送、以较低带宽进行接收。但最重要的架构变化是CAN将不再作为主要车辆通信骨干的默认协议,而是由以太网承担这一角色。

安森美

车载网络种类的基础知识

车载网络主要涉及LIN、CAN (FD)、FlexRay和汽车以太网技术的基础知识。以下将为您介绍相关的技术概念。

LIN:

LIN采用12 V架构,是基于通用SCI (UART)字节字接口的单线串行通信协议,其最大速度可达20 kb/s(EMC/时钟同步),主设备控制介质访问,负责无仲裁或冲突管理,以保证延迟时间,具有从节点的时钟同步机制(不需要石英或陶瓷谐振器),可在其他从节点中未更改硬件/软件的情况下添加节点,其通常少于12个节点(64个标识符和相对较低的传输速度)。

LIN物理层的Vsup介于7V和18V之间,由于对坡度和对称性的严格要求,其占空比的最小值为39.6%,最大值为58.1%(总线负载为1 µs和5 µs之间的时间常数:1k/1 nF 660/6.8 nF 500/10 nF),异步振荡器则拥有小于14%的宽容值。

LIN的通信理念是由主任务发起的通信(消息头),识别标识符后激活从站任务,以启动消息响应(1-8个数据字节加上1个校验和字节),支持数据正确性的奇偶校验与校验和。

CAN:

CAN(控制器局域网)则是另一种车载网络的主流协议之一,在CAN通信中,所有设备都是平等的,可以随时进行通信。如果发生冲突(两个设备同时通信),则使用仲裁来确保消息被理解。

CAN支持异步通信(事件触发),当总线安静时任何节点都可以访问总线,其采用非破坏性仲裁,可100%使用带宽而不丢失数据,低优先级消息的延迟较大,高优先级消息的延迟较低,支持基于11位(或扩展29位)数据包标识符的可变消息优先级,可进行自动错误检测、信号发送和重试,CAN使用双绞线电缆以高达1 Mb/s的速度与多达40个设备进行通信。

CAN的物理层总线需要线路端接,ISO 11898标准将电缆的阻抗定义为120 ± 12 Ω,需要采用屏蔽或非屏蔽双绞线。CAN总线仲裁时,如果两个消息同时通过CAN总线发送,总线将采用信号的“逻辑AND”,因此,具有最低二进制数的消息标识符获得最高优先级,每个设备都会侦听通道,并在发现总线位与其标识符位不匹配时退出。CAN支持灵活数据速率,为了增加带宽,引入了CAN灵活数据速率作为CAN的扩展。

Flexray:

Flexray协议则与火车时刻表一样,总线的所有FlexRay流量均使用时隙精心安排,其高数据速率高达10 Mb/s,支持时间和事件触发的行为、冗余、容错能力与确定性(使用“时隙”)。FlexRay可满足线控应用(即线控驾驶、线控转向、线控制动等)的容错性、速度和时间确定性性能要求。

FlexRay物理层的静态段是为按固定周期到达的确定性数据保留的时隙,动态段则用于更广泛的不需要确定性的基于事件的数据(参考自CAN协议),其符号窗口通常用于网络维护和启动网络的信号,网络空闲时间则用于维持节点时钟之间同步的已知“安静”时间。

以太网:

以太网则包括100Base-T1、1000Base-T1,采用单双绞线,支持全双工,速率可达100/1000 Mbps,电缆长度至少可达15 m,采用差分信号通过电容器耦合到双绞线中,物理层将位转换为符号(3位转换为2个符号),符号的值可以是+1、0或-1,对应于三个不同的差分电压电平,支持点对点通信,若是更复杂的网络则需要交换机,为了保持同步,即使没有节点打算发送数据,通信也会持续进行。

100Base-T1的物理层链路伙伴之一是主站(启动训练),第二个是从站(使用时钟恢复形式数据流将其时钟与主站同步)。由于物理层使用PAM3(3位转换为2个符号),其波特率为66 MBd/s,可支持两个链路伙伴同时传输符号,因此可能会观察到5个不同的差分电压电平,待传输的数据可与旁流相结合,具有扰码器(伪随机流)可实现更好的EMC性能。

10Base-T1S则是通过单根双绞线电缆传输速率为10 Mbps,长度至少为15 m,支持点对点半双工通信,可选功能包括全双工点对点操作、半双工多点(CAN、FlexRay、LIN等总线拓扑)操作,也可进行多点操作,支持1个主站,最多至少8个从站。主站通过信标发起通信,然后每个从站都有机会发送数据,该协议称为物理层冲突避免(PLCA)。

安森美深耕车载网络提供广泛产品组合

安森美深耕车载网络领域30余年,拥有广泛的产品组合,并提供值得信赖的客户支持和应用支持。安森美的产品组合涵盖现有所有主流的车载网络技术,例如LIN、CAN和FlexRay,同时安森美继续提供不断增强的知识产权(IP),以更好地满足汽车行业的要求和需求。

随着10BASE-T1S以太网对汽车行业的重要性不断增加,安森美会将大部分开发资源集中于此。继最近发布的方案之后,安森美正在开发具有更高性能的第二代产品,以帮助行业持续推动分区架构和自动驾驶技术。

凭借30多年为汽车行业提供支持和完整的AEC合格产品组合,安森美使客户能够设计高可靠性解决方案,为最终用户创造价值,同时提供峰值性能。安森美在ADAS领域占有重要地位,除了高性能图像传感器、激光雷达探测器和广泛的合作伙伴生态系统外,安森美还提供全面的产品组合,包括电源管理、照明解决方案、电机驱动器、系统设计专业知识、参考设计、强大而灵活的开发套件,以及经验丰富的应用支持,其关键组件均符合ISO-26262/ASIL标准。

结语

随着汽车搭载的电子系统越来越多,车载网络的重要性也与日俱增,本文介绍的车载网络技术将广泛用于汽车电子系统的连接,提供更多的功能性与更高的安全性。安森美深耕汽车电子领域超过30年,能提供完整的车用电子解决方案,若有更深入的需求,请直接与安森美或艾睿电子联系。

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