基于商用車的車載以太網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用

符丹丹，趙 杰，美少楠，劉 煜

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)、FOTA遠(yuǎn)程升級(jí)等技術(shù)的不斷革新，傳統(tǒng)車載總線CAN和LIN總線通信速率已不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅蕴W(wǎng)技術(shù)因其高速、帶寬覆蓋廣、協(xié)議開放等優(yōu)勢(shì)，在以太網(wǎng)電磁兼容問題取得技術(shù)突破后，車載以太網(wǎng)迅速應(yīng)用于實(shí)車，應(yīng)用越來越成熟，車載以太網(wǎng)成為下一代汽車骨干網(wǎng)的趨勢(shì)日趨明顯。

1 車載以太網(wǎng)技術(shù)介紹

車載以太網(wǎng)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，為了解決整車電磁兼容問題，采用雙絞線實(shí)現(xiàn)通信。與傳統(tǒng)的CAN、LIN、FlexRay、MOST相比，有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

1）通信速率高：車載以太網(wǎng)目前成熟的帶寬為100M或1000M，未來傳輸速率有望會(huì)更高；CAN最高為1M，F(xiàn)lexRay為10M，MOST最高可達(dá)150M。

2）成本低：車載以太網(wǎng)采用與CAN相同的低成本非屏蔽雙絞線纜，而通信速率同樣比較高的MOST則采用光纖，成本較高。

3）傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)：隨著TSN技術(shù)的成熟，以太網(wǎng)技術(shù)完全可以滿足控制級(jí)別的通信，確保控制的實(shí)時(shí)性。

4）帶寬覆蓋廣、可應(yīng)用場(chǎng)景多：車載以太網(wǎng)帶寬從10M~1G，未來可達(dá)到10G，可以應(yīng)用在自動(dòng)駕駛攝像頭數(shù)據(jù)傳輸、音視頻數(shù)據(jù)傳輸、地圖下載等各種場(chǎng)景。

車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)相同，采用OSI參考模型，如圖1所示。

圖1 車載以太網(wǎng)參考模型

車載以太網(wǎng)物理層通過一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)物理層傳輸，滿足車內(nèi)EMC的要求，IEEE802.3將物理層架構(gòu)定義如下：PCS、PMA和PMD共同構(gòu)成物理層核心，有時(shí)候被統(tǒng)稱為“PHY”。但PHY的縮寫有時(shí)也指整個(gè)物理層。BroadR-Reach技術(shù)沒有PMD子層，將PMD集成到PMA中。

數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制（LLC）子層、媒體接入控制（MAC）子層。采用全雙工通信方式，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、特殊硬件和數(shù)字處理技術(shù)（如回波消除），形成交換式以太網(wǎng)，來實(shí)現(xiàn)在一組雙絞線上雙向發(fā)送數(shù)據(jù)。

交互層（IP協(xié)議）為設(shè)備分配唯一的IP地址，實(shí)現(xiàn)沒有連接的2個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信傳輸。

傳輸層是OSI中唯一負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)控制的一層，提供端到端的交換數(shù)據(jù)機(jī)制。可以分為可靠傳輸（TCP）和不可靠傳輸（UDP）協(xié)議。

應(yīng)用層和中間層，位于協(xié)議架構(gòu)的5~7層，可使用DOIP、SOME/IP、AVB/TSN等多種協(xié)議。

2 車載以太網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景介紹及拓?fù)湓O(shè)計(jì)

車載以太網(wǎng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)應(yīng)從整車功能、成本、信息安全等角度綜合考慮。目前車載以太網(wǎng)在商用車重卡的應(yīng)用場(chǎng)景主要有以下幾個(gè)方面：自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)的傳輸，音視頻數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)刷寫，動(dòng)力、底盤及部分車身系統(tǒng)繼續(xù)使用傳統(tǒng)的CAN總線通信，根據(jù)這4個(gè)應(yīng)用可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的Demo，實(shí)現(xiàn)整車功能。車載以太網(wǎng)架構(gòu)及場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 車載以太網(wǎng)架構(gòu)及場(chǎng)景

該架構(gòu)采用星型拓?fù)洌切屯負(fù)涞慕Y(jié)構(gòu)更加符合現(xiàn)階段域控制器集成的思路，多個(gè)控制模塊逐漸集成到域控制器中，通信速度較快，省略了多個(gè)ECU之間的通信，交換機(jī)只需要放到其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)中。該架構(gòu)集成在了網(wǎng)關(guān)中，既有交換機(jī)的功能，也肩負(fù)整車CAN和以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)化的功能。EGW可預(yù)留多個(gè)接口，其他節(jié)點(diǎn)省去了集成Switch的硬件部分設(shè)計(jì)，成本較低；后期功能擴(kuò)展，也更加靈活。

對(duì)于星型結(jié)構(gòu)影響信號(hào)穩(wěn)定性很重要的因素就是分支長度，分支長度越小，那么產(chǎn)生的信號(hào)也就越好，所以當(dāng)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的距離過長時(shí)，可采用多個(gè)交換機(jī)的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

3 車載以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議介紹

車載以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議很多，本文主要分兩類進(jìn)行介紹，一類是用于實(shí)時(shí)通信的協(xié)議，主要有AVB、SOMEIP，另一類為用于診斷的DoIP協(xié)議。

車載以太網(wǎng)很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是速度高、帶寬大，所以可以實(shí)現(xiàn)音視頻的實(shí)時(shí)傳輸。以太網(wǎng)雖然在二層網(wǎng)絡(luò)引入了優(yōu)先級(jí)（Priority）機(jī)制，三層網(wǎng)絡(luò)也已內(nèi)置了服務(wù)品質(zhì)（QoS）機(jī)制，但由于多媒體實(shí)時(shí)流量與普通異步TCP流量存在著資源競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致了過多的時(shí)延（Delay）和抖動(dòng)（Jitter）。AVB技術(shù)主要應(yīng)用在語音、多媒體及其它動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過保障帶寬（Bandwidth）、限制延遲（Latency）和精確時(shí)鐘同步（Timesynchronization），通過建立高品質(zhì)、低延遲、時(shí)間同步的音視頻以太網(wǎng)絡(luò)，提供各種普通數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)音視頻流的局域網(wǎng)配套解決方案。

SOME/IP是一種滿足汽車需求的開放式協(xié)議，位于TCP/UDP協(xié)議之上。SOME/IP具有以下特點(diǎn)：①是ECU之間通信序列化和RPC的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；②定義支持遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）的頭格式；③定義如何將應(yīng)用程序數(shù)據(jù)序列化為通信線路上的有效負(fù)載數(shù)據(jù)；④兼容AUTOSAR和非AUTOSAR ECU；⑤多平臺(tái)支持，可支持不同操作系統(tǒng)，如AUTOSAR、GENIVI。

SOME/IP是一種基于IP協(xié)議的可擴(kuò)展面向服務(wù)的設(shè)計(jì)，它將各種功能以服務(wù)的形式提供給最終用戶或者其他服務(wù)。在傳統(tǒng)的CAN時(shí)代，所有交互都是直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行收發(fā)，直接、簡(jiǎn)單、高效。隨著IP網(wǎng)絡(luò)在車內(nèi)的使用，能提供的帶寬越來越高，設(shè)計(jì)系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，系統(tǒng)工程師們直接操作數(shù)據(jù)鏈路層變得越來越不可能。這就需要在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更多關(guān)注更高層面的抽象，在設(shè)計(jì)通信的時(shí)候，把關(guān)注層面從bit/byte/frame抽象到method/service，所以，我們需要一套Serviceorientated的架構(gòu)（SOA）。面向服務(wù)的設(shè)計(jì)如圖3所示，Server提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)服務(wù)接口的服務(wù)實(shí)例，Client使用SOME/IP的服務(wù)實(shí)例。

圖3 面向服務(wù)設(shè)的設(shè)計(jì)

DoIP全稱為Diagnostic communication Over Internet Protocol，遵循ISO 13400協(xié)議。DoIP協(xié)議應(yīng)用中，應(yīng)了解DoIP實(shí)體、DoIP網(wǎng)關(guān)、DoIP節(jié)點(diǎn)、DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的概念。DoIP實(shí)體是實(shí)現(xiàn)了DoIP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)，為DoIP網(wǎng)關(guān)或者DoIP節(jié)點(diǎn)；DoIP網(wǎng)關(guān)，是指實(shí)現(xiàn)DoIP協(xié)議并能進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)；DoIP節(jié)點(diǎn)，是指實(shí)現(xiàn)DoIP協(xié)議但不能進(jìn)行DoIP協(xié)議路由的節(jié)點(diǎn)；DoIP是邊緣節(jié)點(diǎn)，與外部診斷設(shè)備直接相連有以太網(wǎng)激活線的節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是連接在IP網(wǎng)絡(luò)上，但不實(shí)現(xiàn)DoIP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)。DoIP協(xié)議的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括故障診斷、軟件刷寫和整車配置。

4 車載以太網(wǎng)控制器測(cè)試介紹

車載以太網(wǎng)控制器測(cè)試主要可分為物理層測(cè)試、協(xié)議一致性測(cè)試、應(yīng)用層測(cè)試及交換機(jī)性能測(cè)試。

1）物理層測(cè)試分為PMA測(cè)試和IOP測(cè)試。

PMA測(cè)試又稱發(fā)送器和接收器測(cè)試，主要分為發(fā)送端輸出跌落、發(fā)送端時(shí)鐘抖動(dòng)、發(fā)送端失真等測(cè)試。PMA測(cè)試需使用網(wǎng)絡(luò)分析儀及以太網(wǎng)專用示波器，控制也要求可以在測(cè)試模式下通過串口或診斷等方式調(diào)整模式，比如發(fā)送端輸出跌落測(cè)試需要在測(cè)試模式1下進(jìn)行測(cè)試，發(fā)動(dòng)端時(shí)鐘抖動(dòng)需在模式2下進(jìn)行測(cè)試。

IOP測(cè)試又稱互操作性測(cè)試，主要是對(duì)系統(tǒng)的連接時(shí)間、信號(hào)品質(zhì)以及線束診斷進(jìn)行測(cè)試。IOP測(cè)試需要專用的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，比較常用的有Golden Divce，隨著車載以太網(wǎng)的普及，目前也有其他測(cè)試機(jī)構(gòu)研發(fā)的性價(jià)比更高的測(cè)試設(shè)備。

2）協(xié)議一致性測(cè)試依據(jù)OPENTC8標(biāo)準(zhǔn)，包括TCP/IP、AVB、SOME/IP等常用協(xié)議，主機(jī)廠可以根據(jù)整車協(xié)議的應(yīng)用情況選擇響應(yīng)的協(xié)議包。應(yīng)用層大部分是由主機(jī)廠自主定義，可以實(shí)現(xiàn)DoIP測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)管理等測(cè)試。交換機(jī)性能測(cè)試分為2層和3層測(cè)試，包括吞吐量、時(shí)延、丟包率等測(cè)試。車載以太網(wǎng)的測(cè)試已有專業(yè)的設(shè)備及機(jī)構(gòu)進(jìn)行支持，滿足實(shí)車應(yīng)用的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

車載以太網(wǎng)在商用車的應(yīng)用，將為自動(dòng)駕駛、OTA等提供技術(shù)保障，解決帶寬不足的問題。車載以太網(wǎng)協(xié)議相較于CAN的協(xié)議更復(fù)雜，但是因其從工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展而來，協(xié)議開放，后期速率擴(kuò)展也將更加便捷。目前百兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也已發(fā)布，國內(nèi)各大主機(jī)廠已經(jīng)紛紛開展車載以太網(wǎng)的應(yīng)用及測(cè)試的研究，隨著技術(shù)的不斷成熟，將成為整車下一代骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的必然趨勢(shì)。