《电子技术应用》

传感器数量暴增让车载通信系统发生重构,以太网准备好了没

2018/2/7 6:00:00

随着传感器数量的爆炸式增长,汽车内的通信系统正在被重新架构。

在汽车中添加更加复杂和安全的电子部件的军备竞赛正在迫使汽车制造商重新审视日益电动化、连接性日益丰富的汽车内的通信系统。

直到最近,车内部件之间的通信还是过于简单,车辆之间也不存在任何通信,现在,这种局面正在迅速演变。更多车内电子设备之间、汽车之间、汽车和基础设施之间的快速和安全通信成为辅助驾驶和自动驾驶的关键要素。

然而,还有很多东西没有准备就位。Valens汽车公司高级副总裁Micha Risling表示,除非出现新的解决方案,否则,汽车原始设备制造商将不得不在一些他们想要引入的功能上进行妥协,特别是在自动驾驶方面。“因为我们正在依靠汽车及周边的大量数据实现自动驾驶,我们正在谈论的是汽车行业的一场革命,并不仅仅是连接性上的改变。同样的理念适用于目前正在使用以及将要使用的所有不同元素。这真的改变了汽车的设计方式。”

传感器数量的激增是推动汽车通信系统改善的动力之一。目前的汽车中部署了多达16种甚至更多不同类型的传感器:激光雷达、雷达、加速度计、陀螺仪、压力传感器。所有这些传感器都需要连接到车辆中的ECU上。随着汽车内添加更多的自主驾驶功能,这个数字还会显着增长。

生产汽车传感器的联华电子公司市场副总裁Steven Liu说:“车辆之间、车辆和基础设施的之间的通信越来越频繁,意味着车载雷达系统的数量需要不断增加。“部署这些系统,需要的技术包括汽车防碰撞雷达和全球定位系统,以及汽车和停车灯、车辆调度系统进行交互所需的传感器。这些系统将与现有系统结合使用,比如乘客舒适控制系统、信息娱乐系统,以及调节温度、检测轮胎压力和气体的发动机监控子系统。用于长途运输目的的卡车需要负载平衡、负载转移、控制动力曲线和风切变的系统,所有这些系统一起工作以确保货物在运输过程中不会被损坏,以及卡车集装箱在整个行驶行程中的稳定。所有这些5G通信应用对于各个系统完成各自操作来说都是必不可少的。”

但是鉴于迄今为止存在的技术和通信解决方案,线束集群正在成为一个难题。还有一个痛点就是软件代码的规模。相较而言,一辆自动驾驶汽车的软件代码行数可能比F-35喷气式飞机多大约100倍,因为自动驾驶汽车需要处理的操作场景远比喷气式飞机要多。

“飞机自动飞行时,99%的时间里身边都没有其它飞机,”Valens汽车公司的Risling说。“相较之下,就拿一辆在曼哈顿或拉斯维加斯某个地方行驶的汽车来说吧,每秒都需要处理可能出现的各种不同的场景,这就是为什么你需要在汽车上部署大量的特殊、复杂和先进软件的原因。ECU自己需要复杂的软件,ECU之间通信也需要复杂的软件,尤其在自动驾驶汽车中更是如此。当你处理安全相关的功能时,你需要部署很多冗余。冗余使得架构变得更加复杂。你需要更多ECU,更多的通信节点,当然,也需要更先进的连接技术。”Risling解释说。

押注以太网

目前,汽车生态系统正在将汽车以太网作为车载通信的主要技术规范。以太网已经问世40多年,在各种环境条件下都得到了很好的验证。

“以太网主要用于信息娱乐和视频等领域,但汽车行业也引入了以太网,”Synopsys IP部门的以太网产品线经理John Swanson说。“我们在汽车中使用10/100Mbps的以太网时就知道它不够快,很快就转换到了千兆以太网上,但是千兆也不够快。看看自动驾驶汽车,只需要拿出摄像头这么一个非常简单的例子就能说明这种情况。因为你需要做面部识别和路标识别,所以需要高分辨率的视频,有很多路视频进来。这个个数据量非常大,所以不用太长的时间,1 Gbps的汽车以太网就会过时,它会迅速进化到2.5Gbps和5 Gbps,甚至更快。”

这促使像Marvell这样的芯片制造商将以太网用作汽车内部的高带宽、标准化的主干通道,将之前独立的汽车信息娱乐系统、高级驾驶员辅助系统(ADAS)、车身电子设备和控制系统连接起来。 未来,这些信息将和自主驾驶车辆所需的其他传感器连接起来,以实现车内连接和与车外的连接。

Marvell公司连接、存储和基础设施业务部市场总监Venu Balasubramonian表示:“以太网市场历来被分为两个不同的领域。一个是速率高达25/50/100/400Gbps的数据中心,这个市场推动着以太网带宽的不断提升。另一个是10 Gbps速率的铜缆服务的企业市场。现在,由于汽车电子设备的增加,汽车以太网市场逐渐成型。所有的数据和交换都需要一定的带宽。以太网技术需要不断加强。”

他指出,汽车市场最终可能需要100 Gbps的以太网来传输图像传感器的所有数据。而且,通过利用以太网的低成本和高带宽,下一代汽车架构将能够实现新的应用,包括现在可能还想象不到的功能。

Mentor公司的系统架构师Sherif Ali观察到,汽车OEM厂商已经开始重新审视他们的网络设计,以增加一个以太网骨干网和用于诊断车辆的以太网诊断(DoIP)。 “鉴于未来大多数OEM厂商均试图通过空中升级来更新车辆软件,这意味着大量的数据将被下载到ECU中以更新汽车内数百个ECU的软件。这也意味着我们需要一种能够在升级期间使用大量数据来更新软件的方法,实际上,以太网DoIP已经提供了这种灵活性和这种能力。我们不仅使用以太网作为ECU之间通信的主干通道,还可以把它作为ECU与OEM厂商或4S店之间的接口。以太网将发挥很大的作用,使用以太网的规模也将会扩大。”

今天,原始设备制造商正在使用以太网总线这种骨干网技术来连接大量的ECU,业界也有两个不同的标准(AUTOSAR和Open Alliance)正在促进以太网使用和测试的标准化。

Ali说:“AUTOSAR提供了一个实施和测试以太网的规范。AUTOSAR中有一部分内容被称为验收测试,它不仅适用于以太网,也适用于很多其它通信标准,不过,该验收测试包含了用来定义AUTOSAR供应商如何测试其以太网基础软件的规范,以确保它们符合以太网标准。Open Alliance也提供了汽车以太网规范,去年他们发布了汽车以太网ECU测试规范。从测试和协议规范上,行业已经做好了相应的准备。”

事实上,考虑到未来自动驾驶汽车的安全性和可靠性,测试汽车以太网是至关重要的。

目前,汽车以太网测试包括三类测试:

一致性测试。它确保实施以太网协议的每一个软件都符合以太网协议,通常,一致性测试需要大量的测试用例。

集成测试。它确保一个完整的网络和基础设施能够按照预期正常运行。在一个完成的网络中,通常使用集成测试来测试基础架构的健壮性。

性能测试。它测试网络的吞吐量、软件端和网络端的性能。这个测试主要针对软件层面。

“可以肯定的是,由于以太网使用的是低成本的互连介质(双绞线),进行长距离通信,使用非传统的多级信令(PAM-3),因此,从汽车内部的一个以太网控制器向另一个以太网控制器传送信号具有一定的挑战性,”Cadence的PCB、IC封装以及信号和电源完整性部门的产品管理总监 Brad Griffin表示。 “集成多个模块需要通过一致性测试。仿真工具提供了虚拟一致性测试供暖,以确保在实际设计模块之前满足标准要求,减少了在实验室测试过程中发现的错误数量,并有助于加快产品向市场的交付。”

“与此同时,设计人员需要了解一些使他们的汽车以太网系统更容易测试的知识。”Mentor公司的Ali指出,“他们需要了解拓扑结构。使用代码或软件中的以太网节点时需要使用什么样的拓扑结构?如果只是一个实现DoIP服务的以太网连接,那么它的吞吐量或性能会和实现大量ECU通信的以太网连接有所不同。从测试和设计的角度来看,这是非常重要的。设计小组还需要了解ECU的位置。它是一个网关吗?还是一个终端节点?这也是影响测试或测试案例实施的一个方面。”

其它挑战

从IP的角度来看,汽车以太网面临的一个巨大挑战是增加了时间敏感型网络(TSN)。

Synopsys公司的Swanson说:“当说到时间敏感型网络时,人们会以为它是一个单一的规范,但是实际上它是一整套有效的工具箱规范。 你有不同的shaping算法吗?需要处理抢占任务吗?因此,人们现在面临的挑战之一是如何使用这些新功能。然而,在汽车行业,人们学习各种不同的方法,解决问题的方法也很多。这就意味着挑战在于决定将哪些功能放到一颗芯片上。如果一个端点需要面对不同的需求,就需要转换解决方案。如果涉及视频内容,那么它就需要比只实现单纯的控制功能更多的带宽。因此,了解你面向的市场非常重要,深刻的理解才能实现真正优化的设计。”

人们已经在这方面开展了不少研究。New Hampshire大学的互操作性实验室(IOL)的以太网技术高级经理表示:“汽车以太网已经落地运行,它可以为汽车中的BaseT以太网执行PHY一致性半导体测试。原始设备制造商迫切想要在很多领域迅速解决很多问题,这就是为什么汽车领域突然同时发生很多事情的原因。当谈到自主驾驶时,很多人都会想到在车辆之间、车辆和基础设施之间使用无线通信,这当然是正在成型的自主驾驶生态系统的一部分图景。但是,即使使用了无线技术,汽车内部从多个传感器收集信息、从摄像头捕捉图像的应用也需要使用一种高带宽、高可靠的车载通信网络。这就是BASE-T1技术正在进入并开始取代现在的CAN和FlexRay总线的原因,它们能够提供更高的带宽,以便在即将到来的未来能够实现自主驾驶。”

就如何使设计更易于测试而言,Donahue基于实验室条件下针对未来BASE-T1技术进行的100BASE-T1实验进行了说明。他说:“IEEE规范并没有以一种清晰的方式描述如何进行测试,它们描述了存在哪些需求,需要进行哪些测试,但是可能没描述如何进行测试。芯片供应商注意到IEEE规范定义了一些要求,但是这些要求不一定是可测试的。比如,在存在很多内部信号的地方,芯片供应商通常不会为了测试内部信号而分配专用的引脚。在这些领域中,确定什么合格什么失败可能非常困难。硅片供应商有时会比较沮丧,因为IEEE标准并没有直接说明哪些是必须测试的,哪些必须是可测试的,所有,很可能无法得到一个完整的可测试的报告。”

结论

汽车以太网似乎是人们可以接受的汽车通信方案。它很好理解、部署成本低,经过了长时间的考验。而且,在当前的技术路线图中,仅仅通过使用光缆替代铜缆就可以提高数据传输速度。

但是,在解决方案之间的互操作性和以太网规范的解释澄清方面还有许多工作要做。尽管目前来看,至少在车载通信方面,以太网技术似乎是个大赢家,但是目前还有一些正在开发中的其它备选方案。和快速发展的汽车市场中的所有东西一样,任何事情都可能改变。


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