第三代車載網關—車載以太網網關

王娟

（重慶工程學院 404100)

1 前言

隨著汽車電子迅猛發(fā)展，整車上控制器越來越多，通常汽車控制器數量在20～25之間需要有獨立網關，俗稱第二代網關。第二代網關通常包含5～6個子網（新能源車為例），如圖1所示。

圖1 第二代網關示意圖

這5個子網分別為啟動網、舒適網、動力網、ECM網和ESC網，啟動網主要包含ECL、BCM和I-KEY網絡節(jié)點，實現啟動加密認證功能。舒適網包含多功能顯示屏、夜視系統(tǒng)、抬頭顯示、SRS、PM2.5檢測、空調控制器、PTC、多功能顯示屏、TPMS、組合開關、轉向盒開關和全景ECU等，實現與舒適性相關的功能。動力網包含組合儀表、BMS、車載充電器、電池加熱器、模式開關、漏電傳感器和電池管理器等，實現電池動力調節(jié)與輸出，ECM網包含后驅動電機控制器、擋位控制器、前驅動電機控制器及DC-DC等，實現電機動力加速、減速、換擋等功能。ESC網包含SAS、EPB、R-EPS、AFS和診斷口等，實現電子駐車、自動隨車轉向和安全氣囊功能[1]。

隨著智能駕駛技術興起，許多與輔助駕駛相關的配置應運而生，例如360環(huán)視系統(tǒng)、車道偏離預警系統(tǒng)、HUD和ACC自適應巡

航系統(tǒng)等。這就要求各種傳感器和雷達與控制器進行實時數據交換，以前傳感器和雷達采集數據主要是電壓、電流及距離信號，這種信號占用信道寬度不大，對傳輸速率要求不高，500 bit/s就可以滿足信號傳輸和交互的需求。ADAS系統(tǒng)采集信號為視頻信號、位置信號以及音頻信號，特別是車聯(lián)網廣泛應用、全液晶顯示屏與中控顯示屏雙屏互動使用這對數據傳輸實時性提出更高的要求，提高傳輸速率呼聲越來越高。

2 車載以太網技術

2.1 什么是車載以太網

車載以太網是一種用以太網連接車內控制器的車載網技術，與使用4對非屏蔽雙絞線（UTP）電纜的民用以太網有所不同。車載以太網使用對非屏蔽雙絞線數據傳輸速率可達到100 Mbit/s甚至1 Gbit/s的，滿足采用L2～L3級自動駕駛汽車對信號，特別是視頻或音頻信號傳輸的高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。

車載以太網的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術已經由單線對以太網聯(lián)盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）標準化。 車載以太網的MAC層采用IEEE 802.3的接口標準，與傳統(tǒng)以太網類似，支持高層網絡協(xié)議（如TCP/IP）。

2.2 車載以太網主要標準

車載以太網與傳統(tǒng)汽車總線類似，遵循一定通訊協(xié)議與規(guī)范，車載以太網通訊規(guī)范包括以下幾個方面：物理層設計規(guī)范；物理層測試規(guī)范；診斷通訊協(xié)議規(guī)范。其中在視頻與音頻傳輸協(xié)議采用AVB協(xié)議集，具體情況如下。

（1）精準時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol ，簡稱PTP）——IEEE 802.1AS。

（2）流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP）——IEEE802.1Qat。

（3）隊列及轉發(fā)協(xié)議（Queuing and Forwarding Protocol，簡稱 Qav）——IEEE 802.1Qav。

（4）音視頻橋接系統(tǒng)（Audio/Video Bridging Systems）——IEEE 802.1BA。包括：①IEEE 1722-2011，橋接局域網中的時間敏感應用第二層傳輸協(xié)議標準。②IEEE 1733-2011，橋接局域網中的時間敏感應用第三層傳輸協(xié)議標準[2]。

2.3 車載以太網網關技術路線

目前絕大多數主機廠車載以太網網關的方案，是在第二代獨立網關基礎，把與信息交互要求較高的子網換成以太網，這樣既可以節(jié)省開發(fā)時間與周期，又可以降低電氣架構總成本，更重要的是降低開發(fā)難度和測試難度。其主要技術路線如下：需要高實時性、高交互性控制器，例如HU、360全景系統(tǒng)、組合儀表（全液晶）、行車記錄儀、后排娛樂系統(tǒng)及診斷系統(tǒng)，采用速率為100 M以太網通過網關進行信息交換，車內網仍有些控制器對信息交互速率要求不高，可繼續(xù)采用500 bit/s總線方式進行信息交互，采用哪種方式進行信息交互，取決于要實現的功能[3]。診斷系統(tǒng)由于要實現控制器系統(tǒng)更新、診斷，特別是中控顯示屏的APP更新，地圖菜單所占數據量巨大，通常8 Gb左右，若仍采用總線通訊方式，僅地圖更新要耗時近5個小時，顯然不能滿足用戶的需求。所以診斷系統(tǒng)也需要采用以太網進行信息傳輸與交互（圖2）。

圖2 利用以太網進行系統(tǒng)信息傳輸

相比第二代網關，車載以太網測試項目與難度陡增，傳統(tǒng)手工測試已經不滿足需要，所以基于車載以太網自動化測試設備就成為必備的工具。測試主要分為單體測試和系統(tǒng)集成測試，測試所包含具體內容如下（圖3）。

圖3 車載以太網測試表

物理層測試，主要測試轉發(fā)器輸出電壓、轉發(fā)器輸出頻率、轉發(fā)器峰值電壓、差分電壓、轉發(fā)器失真性、轉發(fā)器抗干擾、轉發(fā)器時鐘頻率和MDI輸出抖動。

數據鏈路層測試，根據通訊協(xié)議所采用的標準（802.3、EthernetⅡ、802.1Q、802.1ad、802.1ah、1722）所對應測試規(guī)范（OPEN ALLIANCE TC8 Member），完成相關數據鏈路層的測試。

協(xié)議層測試，協(xié)議層按照主機廠所采用協(xié)議IPV4或者IPV6，網絡層UDP或TCP所對應測試規(guī)范（OPEN ALLIANCE TC8 Member），完成相關測試[4]。

系統(tǒng)集成測試，與傳統(tǒng)汽車總線開發(fā)類似，控制器完成單體測試后，還要根據系統(tǒng)功能完成系統(tǒng)集成測試，觀察汽車控制器在不同工況下，評估信息傳輸的實時性、準確性及冗余性。首先在實驗室里面搭建功能臺架，通常用一臺自動化測試設備給不同控制器發(fā)觸發(fā)信號，觀察記錄控制器動作，自動判斷控制器動作是否符合設計規(guī)范，臺架測試合格后，基本上解決絕大多數可能出現問題。最終將各個控制器裝車后，在不同工況下（高速、低速、顛簸路、城市路況等）打開電氣各項功能，觀察信號傳輸狀態(tài)，杜絕一切因設計缺陷所引起的電氣故障。

3 結束語

汽車以太網發(fā)展已近步入快車道，其本質上與總線有著天壤之別，這一區(qū)別必將導致新一輪汽車控制器升級換代，目前采用以太網控制器軟、硬件成本偏高，但隨著芯片用量大幅攀升，必將導致硬件成本降低，最終將與目前使用總線通訊控制器成本持平。