李林澤　石如泉　徐嫚　謝佶宏　邵杰

摘 要：隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的快速發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)不再是一種簡(jiǎn)單的代步工具，更是一個(gè)充滿(mǎn)個(gè)性、體驗(yàn)和場(chǎng)景的生態(tài)主體，許多豐富多彩的新功能被引入到了汽車(chē)當(dāng)中。大量功能的增加使得智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的電子器件越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今快速發(fā)展的智能網(wǎng)聯(lián)需求。為此，本文提出了一種基于以太網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、拓展能力以及開(kāi)放性等優(yōu)勢(shì)，能夠與外部設(shè)備進(jìn)行靈活交互、快速數(shù)據(jù)傳輸以及OTA軟件升級(jí)，完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的不足，適應(yīng)了智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 環(huán)以太網(wǎng) 架構(gòu) 應(yīng)用

The Development Trend of Ethernet Ring Network Architecture and its Application in Intelligent Connected Vehicles

Li Linze Shi Ruquan Xu Man Xie Jihong Shao Jie

Abstract：With the rapid development of intelligent connected vehicles， cars are no longer a simple tool for transportation， but an ecological subject full of personality， experience and scenes. Many colorful new functions have been introduced into cars. With the increase of a large number of functions， there are more and more electronic devices of intelligent networked vehicles， and the network architecture becomes very complex. The traditional CAN network CAN no longer meet the needs of the rapid development of intelligent networked vehicles. To this end， the paper puts forward a network architecture， which has the powerful computation ability and expanding ability and advantages of the openness， and can flexibly interact with external devices， transmit data quickly， upgrade OTA software， and fully make up for the deficiency of the traditional CAN network， so as to meet the needs of the development of the intelligent made cars.

Key words：car， ring ethernet， architecture， application

1 引言

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)科技的不斷進(jìn)步，我們經(jīng)?？梢钥吹脚c汽車(chē)相關(guān)的如下的場(chǎng)景：1）汽車(chē)被擺放在展廳上，車(chē)燈呈現(xiàn)個(gè)性化地閃滅;2）汽車(chē)與機(jī)器人在舞臺(tái)上共舞，十分具有科技感;3）一些改裝車(chē)的的轉(zhuǎn)向燈改裝成跑馬燈的形式，顯得更加美觀。在很多場(chǎng)景中，汽車(chē)已經(jīng)不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的代步工具，而更是身份的象征，是用于炫耀、展示的藝術(shù)載體。

為了滿(mǎn)足以上豐富多彩的場(chǎng)景需求，汽車(chē)需要與更多的外部設(shè)備互聯(lián)，汽車(chē)的設(shè)計(jì)理念因此也需要從傳統(tǒng)的單單關(guān)注性能提升轉(zhuǎn)型為更多的功能拓展和跨界融合。新型的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)需要具備更為強(qiáng)大的計(jì)算存儲(chǔ)和通信能力，給外部預(yù)留足夠的硬件接口，軟件也需要滿(mǎn)足可移植、可迭代、可拓展的技術(shù)特征，整個(gè)系統(tǒng)做到完全開(kāi)放。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)不斷增加的電子電氣功能，帶來(lái)的問(wèn)題是ECU越來(lái)越多，一些先行的企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始從分散控制向集中控制轉(zhuǎn)變，域控制器逐漸成為了汽車(chē)發(fā)展的一種趨勢(shì)?；谶@種趨勢(shì)，車(chē)載的智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，成為未來(lái)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)。所謂車(chē)載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，就是集成異構(gòu)分布的硬件平臺(tái)以及智能駕駛操作系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)，它是智能駕駛領(lǐng)域的核心[1]。

目前，國(guó)內(nèi)許汽車(chē)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)都紛紛參與到了域控制器的研發(fā)熱潮中，在此背景之下，本文研發(fā)了一款新型計(jì)算與通信汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，整車(chē)集成單元作為域控制器，它的計(jì)算存儲(chǔ)和通信等能力完全滿(mǎn)足上述所提要求。

2 環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)簡(jiǎn)介

2.1 域控制器

環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)是基于域控制器構(gòu)建的，所謂域控制器，其實(shí)是主機(jī)廠將ECU化繁為簡(jiǎn)之后的衍生物。以往ECU（電子控制單元）廣泛存在于車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等底層零部件之中，汽車(chē)的每一個(gè)功能都需要單一或者多個(gè)ECU模塊進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)整車(chē)信息的轉(zhuǎn)化和處理。由此，這些遍布車(chē)身的ECU組成的架構(gòu)就叫分布式電子電氣架構(gòu)。ECU越多，意味著車(chē)輛的電子功能越豐富，但隨之而來(lái)的是分散的ECU模塊容易導(dǎo)致車(chē)輛線(xiàn)束布置復(fù)雜，車(chē)身越來(lái)越重，從而導(dǎo)致整車(chē)成本高昂;另一方面，由于涉及的供應(yīng)商眾多，ECU模塊的軟件開(kāi)發(fā)始終無(wú)法同步，后續(xù)更新也難以為繼，遑論當(dāng)下熱議的OTA升級(jí)了。在汽車(chē)智能化時(shí)代，車(chē)輛需要有不斷進(jìn)化的能力，這種分布式電子電氣架構(gòu)顯然滿(mǎn)足不了整車(chē)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求。2012年特斯拉Model S誕生意味著車(chē)上安裝數(shù)十上百個(gè)ECU的時(shí)代即將過(guò)去，ECU的減法時(shí)代到來(lái)。此后，傳統(tǒng)ECU模塊開(kāi)始軟硬件分離，硬件被逐步取消，軟件被集中到一起，通過(guò)單個(gè)計(jì)算平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)功能的控制。

整車(chē)集成單元作為域控制器，每個(gè)功能域設(shè)置一個(gè)整車(chē)集成單元，整車(chē)集成單元之間通過(guò)以太骨干網(wǎng)進(jìn)行連接構(gòu)成環(huán)以太網(wǎng)型式的架構(gòu)。其它子控制器可選擇采用CAN總線(xiàn)、LIN總線(xiàn)、以太網(wǎng)連接對(duì)應(yīng)的域控制器，如圖1所示。

2.2 以太骨干網(wǎng)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)域控制器之間通信的數(shù)據(jù)量可達(dá)到幾十甚至上百兆，傳統(tǒng)的CAN總線(xiàn)帶寬不足，無(wú)法滿(mǎn)足如此龐大的數(shù)據(jù)量傳輸。此外，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)各零件軟件更新迭代的頻率很高，尤其是智能駕駛域控制器及其子控制器，因此智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的軟件更新通常是以O(shè)TA（空中下載技術(shù)）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)功能不同，一個(gè)軟件升級(jí)包的大小在幾十兆比特到幾吉比特之間，而傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)際最高的傳輸速率僅能達(dá)到500K左右，如此一來(lái)，一個(gè)幾吉比特的軟甲升級(jí)包在升級(jí)時(shí)會(huì)消耗掉幾個(gè)小時(shí)甚至更久的時(shí)間，這是極不實(shí)際的。綜上所訴，采用速率可達(dá)1G/10Gbsp、支持二層交換、又有良好的安全可靠性的以太網(wǎng)替代傳統(tǒng)CAN作為骨干網(wǎng)絡(luò)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的必然選擇。

2.3 整車(chē)集成單元

整車(chē)集成單元的作用是收編傳統(tǒng)ECU功能、電源集中管理（1A～40A）、IO集成（PWM/ADC/H橋/DI/DO）以及通信集成（ETH/CAN/LIN）。整車(chē)集成單元軟硬件可按需靈活部署，支持OTA升級(jí)。如圖1所示，環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)中包含了3個(gè)整車(chē)集成單元，其中整車(chē)集成單元2中集成了MPU的功能。

2.3.1 整車(chē)集成單元硬件接口

除ECU外，整車(chē)集成單元還連接了大部分的車(chē)內(nèi)設(shè)備，例如通過(guò)一路以太網(wǎng)連接車(chē)載路由器。同時(shí)，整車(chē)集成單元硬件預(yù)留大量的IO口及多種目前主流的通信接口，且都為標(biāo)準(zhǔn)化接口。目前整車(chē)集成單元硬件接口主要包含如下3類(lèi)：1）智能電源接口，包括1A、3A、10A、20A、30A、40A的常規(guī)接口，以及H橋和傳感器接口等;2）I/O接口，包括數(shù)字量輸入、模擬量輸入、LSD/PWM接口;3）網(wǎng)絡(luò)通信接口，包括以太網(wǎng)、CAN、CANFD以及LIN等。在滿(mǎn)足整車(chē)需求的情況下，整車(chē)集成單元還可以外接外部設(shè)備。

2.3.2 整車(chē)集成單元軟件部署

整車(chē)集成單元通常采用分布式的軟件部署方式，以達(dá)到業(yè)務(wù)功能冗余、提升整車(chē)可靠性、開(kāi)放能力（整車(chē)級(jí)資源抽象與開(kāi)放API）的目的。軟件部署具體如下：

整車(chē)集成單元0：整車(chē)控制器算法（上下電控制/充電控制/換擋/扭矩管理/駕駛模式等）;

整車(chē)集成單元1：車(chē)身控制器算法（中控鎖/遠(yuǎn)近光燈/轉(zhuǎn)向燈/雨刮/車(chē)窗控制/電源模式管理等）;

整車(chē)集成單元2：其中MPU：360/APA算法，MCU：IO接入。

3 環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)系統(tǒng)控制外部設(shè)備的原理

基于環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)的完全開(kāi)放性，硬件接口的多樣性，此架構(gòu)不僅能連接大多數(shù)車(chē)內(nèi)模塊，還可以直連外部設(shè)備，所以可以有多種與外部設(shè)備互聯(lián)的方法，下面介紹其中一種。

整車(chē)集成單元連接的車(chē)輛設(shè)備中包含了車(chē)輛中大部分的無(wú)線(xiàn)通訊模塊，如車(chē)載路由器。通過(guò)車(chē)載路由器，外部設(shè)備可以接入整車(chē)以太網(wǎng)絡(luò)，外部設(shè)備只需要按照TCP/IP協(xié)議向車(chē)輛發(fā)送UDP報(bào)文就可以達(dá)到控制車(chē)身的效果。外部設(shè)備接入整車(chē)的方式如圖2所示：

以機(jī)器人作為外部設(shè)備的代表介紹圖2的控制原理?？删幊虣C(jī)器人通過(guò)車(chē)載WIFI連接車(chē)輛無(wú)線(xiàn)網(wǎng)接入整車(chē)以太網(wǎng)絡(luò)，按照TCP/IP協(xié)議向車(chē)輛發(fā)送UDP以太網(wǎng)報(bào)文以達(dá)到控制車(chē)輛部分零件（上鎖、解鎖、開(kāi)關(guān)燈等）。只要事先編好程序，讓機(jī)器人在進(jìn)行不同動(dòng)作時(shí)向車(chē)輛發(fā)送對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)報(bào)文指令，在控制機(jī)器人完成指定動(dòng)作時(shí)，車(chē)輛就會(huì)做出相應(yīng)的操作，從而達(dá)到車(chē)輛與機(jī)器人的協(xié)同控制，再豐富機(jī)器人動(dòng)作程序，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與車(chē)輛共舞的場(chǎng)景。

4 結(jié)束語(yǔ)

多樣化的車(chē)輛使用場(chǎng)景使汽車(chē)的定義變得模糊，無(wú)論是單純地為了應(yīng)付目前特殊的使用場(chǎng)景還是做到未來(lái)的萬(wàn)物互聯(lián)，汽車(chē)將從一個(gè)簡(jiǎn)單的交通工具演變成一個(gè)生態(tài)主體。依賴(lài)于軟件的開(kāi)放性、硬件接口冗余設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化、以及整車(chē)集成單元的強(qiáng)大計(jì)算能力等，環(huán)以太網(wǎng)架構(gòu)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的生態(tài)主體提供了可能。目前，在整車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向中央式演進(jìn)的過(guò)程中，環(huán)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還剛剛處于萌芽階段，未來(lái)的架構(gòu)將會(huì)更加智能化與多樣化。

基金項(xiàng)目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018AD10501）

參考文獻(xiàn)：

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[3]軟件定義汽車(chē)，E-E架構(gòu)是關(guān)鍵，一覽眾車(chē)，2020.

[4]域控制器時(shí)代：ECU 的「消亡」與汽車(chē)「中央大腦」的重建，無(wú)人車(chē)情報(bào)局，2021.