環形以太網網絡拓撲結構研究與設計

石如泉　徐嫚　黃祖朋　謝佶宏　邵杰

摘 要：文章深入分析了傳統汽車的網絡總線類型以及網絡架構特點，結合未來汽車智能化、網聯化的發展趨勢，在傳統汽車網絡的基礎上提出了一種新型的高帶寬、快速、極簡的環形以太網網絡拓撲結構，適應了未來汽車智能化和網聯化的發展需求。

關鍵詞：電動汽車 總線 以太網 域控制器

1 引言

隨著科學技術的快速發展，各個行業的新興科技產品不斷推出，人們對于日常使用的產品的性能要求也越來越高。汽車，作為人們出現的基本工具，人們早已不滿足于其最原始的單單行駛的這一功能，而是提出了智能化、網聯化的智能移動空間等更高的需求。為了跟上人們的需求節奏，汽車行業必須進行各種技術革新，而車載網絡的革新則是關鍵的一環。

眾所周知，汽車智能化、網聯化的前提是大量電子器件的廣泛應用，而大量電子器件的廣泛應用會使傳統的汽車網絡架構面臨著諸多問題，主要表現為：1）傳統CAN總線在帶寬上不能滿足智能駕駛、影音娛樂等使用場景的需求;2）汽車傳感器和控制器的應用越來越多，網絡架構越來越復雜，導致總線負載率過高，降低了數據信息的實時性，威脅行駛安全;3）產品軟件更新迭代快，面對動則數個吉字節大小的軟件更新包，傳統汽車網絡架構無法支持實現OTA升級。

為了解決上述傳統汽車網絡架構中存在的問題，本文提出了一種新型的環形以太網汽車網絡架構，以滿足汽車智能化、網聯化的發展需求，推動汽車行業的快速發展。

2 傳統汽車網絡介紹

將汽車上所有電子的傳感器、執行器以及電子控制單元進行有效連接，構成的通信形式稱之為汽車網絡。汽車功能的復雜程度與汽車上ECU（電子控制單元）的使用數量成正比，汽車功能簡單則ECU的數量就少，并且通過點對點進行通信即可滿足要求;當汽車的功能變得復雜時，ECU的數量會相應增多，通過點對點的方式已無法滿足汽車通信要求，需要采用其它的通信方式。其中，CAN和LIN車載網絡在汽車中的應用最為頻繁，MOST和FlexRay總線網絡則大多應用于高端汽車中。根據傳輸類型之間存在的差異，可以將車載總線分為CAN、LIN、FlexRay以及MOST四種。

2.1 CAN總線

在以上4種傳統汽車網絡總線中，CAN總線是應用最廣泛的車載總線，能夠對汽車的電子部件、發動機以及底盤等進行有效地電子控制，對于錯誤的監測和其他智能化的處理機制都比較可靠，可以傳輸8 Byte數據，并且其成本還相對較低。然而，CAN總線的帶寬最高限值只有1Mb/s，隨著ECU的增加，CAN總線網絡拓撲結構變得異常復雜，一些只能在高帶寬下才能使用的功能無法在該架構上實現。

2.2 LIN總線

LIN總線是一種低成本和低速率的主從式串行通信總線，往往使用于電動門窗、電動天窗以及座椅調節等傳感器信號采集這種不需要使用CAN總線帶寬和多功能的場合，其對CAN總線通信具有一定的補充作用。

2.3 FlexRay總線

FlexRay是一種以時間戳協議為基礎的高性能、高可靠性的實時總線，其最大特點是傳輸精確、快速，數據發送至目標地址只需要1μs，在對安全實時性具有高要求的線控轉向和線控剎車方面有著廣泛的應用。

2.4 MOST總線

MOST則是一種面向媒體系統的傳輸總線，在導航和CD等娛樂系統中應用最為廣泛。MOST的傳輸介質主要為光纖，但是傳輸的可靠性很低。

3 環形以太網模型

3.1 以太網介紹

以太網承擔了對汽車大數據進行傳輸的作用，是汽車智能網聯發展的關鍵路徑，也是未來電動汽車網絡構架發展的必然趨勢。在環形以太網整個網絡構架中，主網絡為以太網，子網絡則為娛樂系統和輔助駕駛系統，這二者具有傳統動力底盤以及車身舒適系統的所有性能。在輔助駕駛系統中，因為要對駕駛人員的狀態進行智能檢測，所以需要使用以太網對高清的攝像頭以及高精度雷達的大數據進行傳輸。對于車輛的行駛狀態、路標的設置以及雷達數據等與車輛行駛相關的數據，也可以通過以太網傳輸到云端。在娛樂系統中，以太網的主要作用是對語音視頻等影音數據進行傳輸。對于娛樂設施的管理和使用，可以輔助于無線網絡以及藍牙，給乘客帶來更加舒適完美的體驗效果。

3.2 需求分析設計

基于引言提出的傳統汽車網絡存在的問題，環形以太網模型可以完美地將其解決：1）環形以太網通信帶寬可達到1000Mb/s，完全滿足當前汽車智能駕駛、影音娛樂等高帶寬的要求;2）環形以太網模型是一種采用了域控制器的網絡架構，通過控制器上移集中，能夠將控制器減少到五個以內，架構可以做到極簡（圖2）;3）車載TBOX接收來自云端的OTA更新包，然后再通過高帶寬的以太網導入車載控制器，可快速完成OTA升級（圖2）。

3.3 環形以太網模型設計

傳統汽車網絡架構一般可以將汽車分為車身總線、底盤總線和整車總線。隨著用戶對車輛功能需求的增加，一些車輛還會新增影音娛樂總線和智能駕駛總線。本文參照傳統車的架構模型，設計了一種基于域控制器的以太環網網絡拓撲結構，如圖3所示。

1）車身域控制器：將傳統車身總線上的控制器集成在車身域控制器上，各傳感器與車身域控制器通過CAN線連接，域控制器直接控制儀表、門窗、空調等。影音娛樂的設備（如平板手機等）直接通過無線以太網連接車載TBox接入整車網絡，從而與車內網絡進行交互（控制門窗空調等）。

2）整車域控制器：將傳統的整車總線上的控制器集成到整車域控制器上，各傳感器與整

車域控制器通過CAN線連接，域控制器直接對電機和電池進行控制。

3）智能駕駛控制器：除將傳統底盤總線的控制器集成在智能駕駛控制器上外，還集成了智能駕駛總線上的控制器，這兩個總線上所有傳感器通過CAN線連接域控制器，對帶寬需求大的傳感器使用以太網連接（攝像頭、雷達等）。

4）環形以太網絡：各域控制器之間使用以太網進行信息交互，例如車身域控制器可以通過環網獲取智能駕駛域控制器的攝像頭信息，將攝像頭的影像信號傳遞給影音娛樂設備上。

與傳統總線網絡架構相比，基于以太網的環形網絡架構具備以下幾個優勢：1）控制器上移集中，從原來的幾十個減少至五個以內，優化網絡架構、減少線束成本;2）高帶寬低時延的網絡通訊，滿足了車輛智能化、共享化和網聯化的通訊需求;3）以太網接入云端，各域控制器可實現秒級OTA;4）生態開放，車載娛樂設備可直接通過TBox無線接入整車以太網絡。

4 結論

隨著汽車技術不斷向智能化、和網聯化發展，車輛集成的功能在不斷地增加和優化，促使了車載網絡架構技術的不斷進步。本文基于對傳統汽車網絡架構的深入研究分析，在其基礎上進行優化創新，提出了一種新型的環形以太網網絡架構模型，滿足了汽車智能化、網聯化對車載網絡的更高要求。可以預見在不久的將來，基于域控制器的以太網網絡架構將會逐漸取代傳統CAN總線網絡架構。

基金項目：廣西創新驅動發展專項資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學研究與技術開發計劃資助項目（2018AD20501）

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