車載網絡淺析

倪斌

比亞迪上海有限公司 上海 201600

車載網絡簡介

隨著電控系統的日益復雜，以及對汽車內部控制功能電控單元相互之間通信能力要求的日益增長，采用點對點的鏈接會使得車內線束增多，由此對內部通信的可靠性、安全性以及質量方面都給汽車設計和制造帶來了很大的困擾。因此，為了減少車內連線實現數據的共享和快速交換，同時提高產品可靠性等，在快速發展的計算機網絡上，實現CAN、CANFD、Eethernet等基礎構造的汽車電子網絡系統，即車載網絡。

1.CAN控制器局域網

CAN（ControllerAreaNetwork）總線是德國BOSCH在公司20世紀80年代初，為解決現代汽車中眾多的控制系統與測試儀器之間的數據交換，開發的一種串行數據通信協議。它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

CAN總線特點：

1）數據通信沒有主從之分，任意一個節點可以向任何其他（一個或多個）節點發起數據通信，靠各個節點信息優先級順序來決定通信次序，高優先級節點信息在134ps通信。

2）多個節點同時發起通信時，優先級低的避讓優先級高的，不會對通信線路造成擁塞。

3）通信距離最遠可達10km（速率低于5kbps）速率可達到1Mbps（通信距離小于40m）。

4）CAN總線傳輸介質可以是雙絞線或同軸電纜。CAN總線適用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量，實時性要求比較高，在多主、多從或者各個節點平等的現場中使用。

2.CAN-FD

CAN-FD（FlexibleDatarate），是一種增強版的CAN協議，具有更高的數據傳輸速率和更大的數據包大小。

CAN協議的傳輸速率通常被限制在1Mbps，數據包大小為8字節。而CANFD協議可以支持更高的傳輸速率，可達到10Mbps，同時支持更大的數據包大小，可以達到64字節。

此外，CANFD協議還支持靈活的速率調整，可以在不同的數據傳輸速率之間進行動態切換，從而更好地滿足不同應用的需求。然而，CANFD協議相對于CAN協議來說，需要更高的硬件和軟件支持，因此在一些應用場景下可能不適用。

CAN-FD總線特點：

1）采用與CAN通信相同的事件觸發模式，軟件容易開發和移植。

2）最高數據傳輸速率達5Mbit/s，更好地滿足要求高實時性高數據傳輸速率的應用。

3）每幀報文有效數據場為64字節，占整幀報文信息超過70%。

4）相比Ethernet等新興總線成本更低。

3.Ethernet車載以太網

傳統以太網協議由于采用的是載波監聽多路訪問及沖突檢測技術，在數據包延時、排序和可靠性上達不到車載網絡實時性要求，所以，常見的車載局域網仍是基于CAN的實時現場總線協議。但隨著汽車電子技術的爆發式發展，ECU數量不斷增長，影音娛樂信號也納入車內通信，這使得高實時、低帶寬的傳統車載總線開始不適應汽車電子發展趨勢。

國際電子電氣工程師協會(IEEE)經過長期研究，在2016 年批準了第一個車載以太網標準“100BASE-T1”。其基于博通公司的BroadR.Reach解決方案，在物理層用單對非屏蔽雙絞線電纜，采用更加優化的擾碼算法來減弱信號相關性并增加實時性，可在車內提供100Mbps高實時帶寬。

高速以太網在汽車干擾環境下的通信質量也是需要重點考查的問題。在車輛上的復雜環境中，車載以太網需要考慮涉及電流浪涌、電磁干擾的影響，會導致網絡性能不穩。

車載以太網

汽車行業正在迅速發展，新的車型具有無與倫比的創新特征，其需要和車輛、路邊基礎設施、互聯網以及高度先進的車載信息娛樂系統進行相互通信。汽車還配備了基于傳感器的安全系統，可以通過傳感器來消除碰撞，顯著提高交通安全。

大多數的新功能和應用都需要依賴昂貴且復雜的布線和需要較大帶寬的電子設備，同時，這些復雜電子設備之間需要完成大量而復雜的指令和數據傳遞。為了解決這個問題，新的汽車車載以太網規范和技術協議應運而生，基于以太網標準協議規范的車載通信網絡將顯著降低所需布線的成本和整備質量。

1.以太網網絡喚醒

以太網ECU通信喚醒需通過CAN來實現。所有以太網ECU在啟動以太網通信前，必須先喚醒對應CAN接口通信，并滿足特定通信條件（例如：診斷刷新條件和FOTA條件等）。

2.以太網網絡協議架構

ECU以太網通信須支持圖1所示網絡協議架構，其中傳輸層及上層應用協議可根據實際功能需求來選擇對應協議。

圖1 以太網協議架構

3.標準以太網接口設計

電路原理圖必須包含以下器件及其詳細信息：以太網收發器、低通濾波器（可選）、ESD、共模扼流圈和共模終端電路（可選）。

以上標準接口電路中相關元器件須滿足OABR規范要求。

4.以太網收發器

收發器及其專用集成電路必須符合IEEE802.3bw要求，只能使用表1中指定的收發器，其他型號的收發器須在與主機廠溝通確認允許后方可使用。

表1 指定收發器

5.低通濾波

為了抑制內部脈沖，推薦在收發器輸出端先布置低通濾波電路。如果收發器內部已集成該部分電路，接口電路中則不必含此部分。

為保證信號對稱性，所有電阻元件公差為±1%，所有電容元件公差為±2%。

6.ESD

PCB設計時必須考慮ESD及過電壓保護。

主機廠指定使用的ESD保護器件型號詳見表2，其他型號的ESD保護器件須經過主機廠允許后方可使用。注意，必須對BR+和BR-進行雙向保護。

表2 ESD保護器件

如果部分芯片廠商內置了ESD保護器件，且符合主機廠EMC相關測試要求，接口電路中無需再增加，但必須預留ESD布置位置。

7.以太網共模扼流圈

為增強EMC可靠性，降低噪聲輻射，須在以太網雙絞線上安裝共模扼流圈（以太網線圈）。

以太網共模扼流圈需滿足OABREMC Test Specification for Broad R-ReachTM Common Mode Chokes規范要求。

主機廠指定的以太網線圈列表詳見表3，其他型號的以太網線圈須在主機廠允許后方可使用。

表3 CMC器件

網絡總線負載計算

通過以下通用計算方法可以得到總線負載的計算方法，并結合不同的通訊網絡數據結構得到不同的總線帶寬，這里將適配到新架構使用的CAN、CANFD和Ethernet。

不同的通訊網絡都有固定的比特率B R（單位bps），根據波特率可計算該網絡的位時間t

不同的通訊網絡都有固定的數據格式，即可得到每一幀報文的位長度L，可計算得出每幀報文占用的位時間T

通過結合報文的周期P（單位ms），即可得到1s內該幀報文發送的次數N

1s內發送的該幀報文占用的總位時間Ta

因此，發送該報文占用的負載率

1.CAN總線負載計算方法

圖2所示是CAN幀結構示意圖。CAN幀結構分為8個場，分別為幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、ACK場、幀結束和ITM場。

圖2 CAN幀1結構

根據BOSCH制定的CAN2.0規范，CAN幀除了幀結束場和I T M場外，其余部分都需要滿足位填充規則。該規則定義：如果連續出現5個顯性位或者隱性位，則需要填充一個相反的bit。其中，所有除長度不固定的數據場外，其他滿足位填充規則的場長度總和=1+12+6+16+2=37bit，位填充最大長度=37/5=7bit，所以這些場最大長度可達到37+7=44bit，加上幀結束和ITM場，幀長度最大為44+7+3=54bit。這里，位填充長度選取中間值3，除數據場外，總長度為50bit，所以幀總長度

所以

對于單條CAN傳輸的幀，目前主機廠定義的典型單幀周期所占負載見表4。

表4 單幀周期幀所占負載

以上計算均為單幀，對于計算多幀周期，直接乘以對應幀數量即得出所占負載。需要注意的是：這里計算中的CAN的標準波特率（傳輸速率）為500kbps。

2.CANFD總線負載計算方法

圖3所示為CANFD幀結構，CANFD幀分為仲裁場、控制場、數據場、CRC校驗場、ACK應答場和幀結束場。一幀CANFD報文可以進行兩種傳輸速率切換，其中仲裁場和ACK場速率（BR1）和傳統CAN相同，數據場的傳輸速率（BR2）最高可達8Mbps（車內一般使用2M，OBD一般使用5Mbps）。

圖3 CANFD幀結構

BR1為除BRS位到CRCDEL位以外的傳輸速率，BR2為BRS位到CRCDEL位，同CAN總線一樣，CANFD除幀結束場外也需要滿足位填充規則。除幀結束場外，BR1固定長度為18bit，填充位長度=18/5=3，所以傳輸速率BR1的長度=18+3+7+3=31bit。

除幀結束場外，傳輸速率為BR2的固定長度=1+1+4+8DLC+4+17+1=28bit，位填充長度=28/5=5，所以傳輸速率為

表5為計算的單條CANFD傳輸的典型周期幀所占負載，其中，BR1=500kbps，BR2=2Mbps。

表5 單幀10msCANFD周期幀所占負載

以上計算的均為單幀，對于計算多幀周期，直接乘以對應幀數量即得出所占負載。

3.Ethernet負載計算方法

對于以太網的負載計算方法，目前針對新架構會使用到基于服務訪問的傳輸方式，應用功能如FOTA/SOTA和診斷，類似于CAN/CANFD的周期性傳輸方式暫無法確定是否會使用，這里提供這兩種傳輸方式的以太網幀負載計算方法。

（1）基于服務訪問的傳輸方式 此類特點為按需傳輸，可通過計算最大數據傳輸所占帶寬的方式。需通過最快數據傳輸間隔P、最大數據傳輸速度BR、數據長度L，得到Busload=L×8/(PBR)，其中數據長度L=14+8+20+DLC+5=63+DLC，DLC為應用層協議數據長度，需結合不同應用層協議。

（2）周期性傳輸方式 此類計算方法同CAN/CANFD，通過計算周期幀的帶寬總和。

先計算單幀Busload=L×8/(PBR)，再通過幀累加得到整條以太網的負載。

4.乘用車項目中的網絡總線負載計算實例

在計算表6的整條PT-CAN的總線負載時，需參考對于項目的架構圖進行分析。這里以某乘用車項目的架構為例，來計算PT-CAN上的節點發送的幀，并使用上述方式相加得到PT-CAN的總負載。

表6 某乘用車項目PT-CAN負載

結語

車載網絡伴隨著智能網聯和智能駕駛等新興技術，目前已經取得了飛速的發展，可以預見，隨著相關技術及其衍生功能的發展，車載網絡的推廣必定越來越快。

同時，車載網絡對信息處理的實時性和承載量必將不斷加大，因此，對于新型的車載網絡技術（如時間敏感網絡等）的發展需要密切跟蹤和研究。承載著車聯網技術和車載智能系統迅速發展需要的高速車載網絡，其復雜性和負載裕度要求將大大提高，這對于車載網絡的研發設計者來說都是必須要認真對待的全新課題。