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汽车以太网有望替代CAN,成为车内唯一总线

汽车当中包括安全系统、信息娱乐系统和ADAS系统等等系统。这些系统之间需要相互配合。汽车中的一个趋势是,把所有这些系统通过网络连起来。 预计到2025年,所有的汽车都将实现联网。到2035年,将有75%的汽车实现无人驾驶。一方面,汽车中有越来越多的设备加入,另一方面,汽车中有各种各样的网络,包括CAN总线、LIN总线、FlexRay、MOST和以太网等。未来汽车中亟需有一个通用的高带宽网络,来替代所有的现有网络。现在来看,汽车以太网是最有可能实现这一目标的网络。

日前,在由Aspencore旗下《EDN电子技术设计》、《EET电子工程专辑》和《ESM国际电子商情》共同举办的Tech Shanghai汽车电子设计论坛上,博通公司(Broadcom)中国区汽车市场销售经理邓超介绍了Broadcom芯片在汽车以太网方面的应用和工作原理。(该论坛另两个报道见《电动汽车和充电桩设计提出哪些新的光耦驱动需求?》和《新厂商磨拳切入智能车联网,但可靠性关口怎么跨?》)

网络带宽的演进

下图显示了以太网、令牌环网、光纤网和MOST网这几种网的带宽演进。可以看出,以太网从最低端一直到最高端,覆盖所有其他网络的带宽,并从最开始就持续有发展。除了在汽车中的应用,它在通信领域也是最普遍的一种网络。这样一种大家最熟、覆盖最全、应用最丰富的网络,被应用到汽车中是必然趋势。

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相比其他总线,以太网可降低80%成本和30%线缆重量

邓超表示,以太网解决方案相比其他解决方案可以降低80%成本,包括线缆和连接器成本。另外可以降低30%线缆重量。传统的100MBPS以太网是4根线,而博通的100MBPS BROADR-REACH以太网是2线。它采用一对双绞线就能达到传统两对的带宽,并且是全双工通信。此外,它可以用非屏蔽的线,来过EMI/EMC标准。“这个是最重要的。BROADR-REACH现在已经是汽车以太网的一个国际标准了。为什么要选择非标的技术?最主要的原因是传统以太网不能过EMI/EMC,而BROADR-REACH却可以(做了相应改进)。”邓超说。

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汽车以太网和传统以太网仅仅是物理层有所区别,其他(比如数据链路层)完全一样,因此传统以太网在汽车里一样可以工作。

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“为什么一对以太网可以实现全双工通信?其原因是它每个PHY内部有算法。收到的信息是自己发的和对方发的相叠加,自己发的信息已知,把它去掉就是对方发的信息。”邓超解释。

汽车以太网典型应用及环视系统

下图是以太网的典型应用。它和CAN的连接通过以太网网关来实现。以太网目前还不是用来取代CAN的,主要还是应用在非CAN的部分。“CAN通过变频变换来控制,这比以太网好,因此在一段时间内都不会被以太网取代。但是到2021年以后,随着ESN这个新以太网协议推出,估计汽车会陆续去掉CAN总线,而仅有以太网通信。”

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下图是用摄像头和电子控制单元组成的环视系统框图。博通的汽车以太网产品主要有两类,一类是收发器PHY,一类是Switch。“收发器实现的功能就像我们家里电脑上的网卡。一个小的ECU在一个以太网内,要连接到另一个以太网上,挂一个PHY就可以了。而Switch则相当于路由器。”邓超解释。

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汽车以太网发展历史

下图是汽车以太网的发展历史。OPEN联盟是由博通、宝马和哈曼这几家公司在2011年创建,现在发展到300多家会员。博通将其BroadR-Reach专利汽车以太网技术免费放在这个联盟里,联盟里的任何会员都可以免费下载和使用。2013年,第一台采用汽车以太网的汽车——宝马X5(四个摄像头拼接的环视)量产。2014年,IEEE出了新的规范802.3 100BASE-T1(802.3 100BASE-T是传统以太网规范,1代表1对线),和OPEN联盟中的规范完全一样,这意味着BroadR-Reach成为了真正的国际标准。2015年,宝马全系列(7系、5系、3系和i系电动车)、捷豹、路虎和大众的帕萨特都集成了汽车以太网技术,而且宝马车里已经不是单纯的环视,而是整车系统都基于汽车以太网来设计。2016年更是有更多车型采用了这个技术。Broadcom现在已经出货1900万颗以太网芯片。

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汽车以太网各种规范解读

以下是汽车以太网的一些规范。现在100BASE-T1可能有人觉得不够用,因此IEEE也发布了1000BASE-T1千兆以太网规范。博通千兆以太网芯片会在明年2月份流片。IEEE 802.1 AVB(Audio Video Bridging的简写)是目前汽车以太网当中最广泛的一个协议,用于多媒体应用。IEEE 802.1 TSN(Time-Sensitive Networking的简写)是AVB的下一代,有快速转发和安全性的考虑,因此未来可以取代CAN总线。IEEE 802.3bu 1PPoDL(1-Pair Power over Data Lines)可以把电源叠到两根数据线上,这样就可以用2根线实现摄像头连接。这个协议博通也有方案推出。

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ADAS新应用/新需求可采用这颗MCU应对

除了PHY和Switch,博通还开发了MCU,应对如下新应用和新需求。这款MCU采用28nm工艺,针对ADAS应用,集成了汽车以太网PHY、摄像头ISP、片上Flash和DDR、AVB(提供802.1as和1722a支持),以及1080p/60帧编解码和图像处理引擎、DSP视频识别等等。

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另外,对于观众提问,以后汽车中会否采用无线网络。邓超回答道,汽车需要满足功能安全,而无线传输不牢靠,且车内环境比较复杂,用户感受不理想。因此,车外(车车、车与基础设施)通信是无线连接,但车内ECU之间的连接必须得是有线连接。

二维码

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赵明灿
电子技术设计(EDN China)资深技术分析师。
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