CAN-FD和以太网共筑未来十年的汽车数据总线 — 快速、可靠(下)

接上篇
5 从 CAN 迁移到 CAN-FD
引入 CAN-FD 不会影响目前使用的诸如 LIN 和 MOST 等汽车网络。要想把 CAN-FD 引入现有的 CAN 网络，需要 有适当的迁移路径。这是因为， CAN-FD 兼容性节点除了能 接受 CAN-FD帧外，也能接受当前的 CAN 帧，而不会出现 任何错误。但是，如果存在 CAN-FD 帧，常规 CAN 节点会 在网络上生成错误帧。OEM 可以通过几种措施来减轻迁移 至真正 CAN-FD 网络所需完成的工作量。
典型方案：
• 网络中部署的新 ECU 必须能够兼容 CAN-FD，同时还 必须能采用当前的 CAN 通信帧格式进行操作。
• 微控制器必须能够兼容 CAN-FD。
• 升级软件时，仅集成对上层软件没什么影响或影响极 小的 CAN 驱动软件。
• 借助软件更新，引入 CAN-FD 帧格式，从而达到更高 的数据速率。
• 通过限制载荷不超过 8 字节，可以限制仅 CAN 驱动
器能够进行软件更改。
• 在 Bosch（博世公司）开展的一系列试验已证实，当 前的收发器可以帮助达到 2.5Mbps 的平均数据速率[2]。
• 在 CAN-FD 操作期间使用“局部网络”。现有 CAN网 络的收发器保持被动断开或关闭状态。您可以采用以下措施 来实现一个真正的 CAN-FD 兼容网络：更新软件，使其支持 高达 64字节的载荷大小，从而实现高带宽利用率；或者，使用兼容 CAN-FD 的收发器来达到更高的数据速率。

6 总结
• CAN-FD 在保持与现有 CAN 网络相当的成本的基础 上，大大提升了吞吐量。CAN-FD 能够提供额外的带宽和很 高的速率。这有助于减少网络中节点的数目。
• CAN-FD 通过改进的 CRC 多项式，维持与现有 CAN
一样的可靠性。

7 车载以太网
2008 年， BMW（宝马公司）成了首个在汽车车头的车 载诊断系统 (OBD) 中使用以太网的 OEM 。
使用以太网作为车载网络有诸多优势：
• 支持以太网的器件的量产大幅降低了成本；
• 对安全性、功能和性能没有任何负面影响的带宽可扩 展性；
• 适用汽车内外的各种连接选件；
• 通过变压器耦合实现电流隔离。
BMW 只是在车库维修服务站使用以太网，并没有用在 汽车的数据总线上。还从未看到使用以太网作为核心车载数 据总线的情况。最近的两项发展推动了以太网的崛起：
• 最近发布的 MOST150 标准也集成了以太网通道；
• 能够通过非屏蔽双绞线以高达 100mbps 的速度发送 数据的低成本、高速度 PHY（物理接口集成电路）的发展 Bosch 预测，在不久的将来，以太网可能会成为事实上的电气/电子设备主干。

8 以太网使用案例
8.1  信息娱乐系统
目前的信息娱乐系统还主要是专属系统，不可扩展。 车载以太网将会解决这个问题，最先得到证实的使用案例就 是音频/视频数据的传输。
为了改善以太网异步数据传输的确定性行为，  IEEE
发布了以太网AVB 协议（ IEEE 802.1 AS、 QAT、 QAV 和 BA）。以太网 AVB针对音频和视频数据的同步传输定义了 一种机制，以确保低延迟。
为了实现 AVB，以太网 MAC 外围器件必须带有以下专 有功能：
• 以太网数据包的时间标记；
• 区分各种 IEEE1588 消息的能力；
• 支持特定  IEEE1588 消息的硬件时间标记以实现高准 确性；
• 准确度可以达到十亿分之一秒的高分辨率定时器；
• 基于信用的流量整形器；
• 在 AVB 网络上，基于信用的流量整形对任何传输都是 强制性的；
• 考虑到数据包的高传输速率（ A 类网络中每 125微秒
一次），在软件中对每个数据包整形将会给 CPU。
带来很大的负担。在硬件中实现的流量整形器可以大 大降低 CPU 负担。实时音频/视频数据的实际传输是通过 IEEE P1722 数据包处理的（图9，82页)。
8.2  先进的驾驶员辅助系统
以太网能够集成信息娱乐、远程信息处理以及先进的 驾驶员辅助系统 (ADAS) 等功能，例如，全景影像泊车和车 道偏离警告。当前的 LVDS（低电压差分信号）单摄像头系 统将逐渐发展为带有多个高分辨率摄像头的各式应用。来自 这些摄像头、雷达和定位服务的影像将合并在一起，最终构 成行车周边的鸟瞰视图。要想传输来自多个源而且如此大量 的数据，可扩展的以太网绝对是最佳选择。ISO17215 以太 网标准当前正在开发中。它将规范应用于车载摄像头系统与 驾驶员辅助功能的通信协议。
8.3  节能以太网  (EEE)
IEEE802.3az 是一种节能以太网 (EEE)。它引入了省电 模式和唤醒功能，以便在设备不使用时节省电能。它还能在数据活动较少时降低功耗。以太网 MAC 支持 EEE 功能。
8.4  电动汽车充电站  - 智能充电
ISO15118 是一个汽车到电网通信标准。它描述了与充 电站建立连接的机制、证书鉴定、数据交换计量、充电状态
/档案以及支付形式。使用以太网后，就不再需要使用任何
网关 ECU 来与充电站进行通信。
8.5  诊断
在逐渐向使用以太网进行诊断的发展过程中，经历了 多个标准。以太网是最适合诊断的一种方式，因为它能轻松 连接到 PC或笔记本上安装的工具。相关的标准有 ISO/PAS
27145 和ISO13400。
8.6  联网汽车
智能电话已连接到汽车，汽车将能够与周边的生态系 统进行交互。汽车能够交换与通信状况、地势、气候状况以 及地图系统相关的实时信息。它们把所有这些信息结合在一 起，就可以建议路线、计算驾驶时间、估算距离、呈现城市 的三维地图以及输入/输出音频/视频数据流。以太网可能是 接入互联网高速路最简单的途径。
8.7  以太网充当网络主干
网络主干负责把具有不同协议和/或运行速度的各种 子网相互连接在一起。具有 1500 字节载荷限制和速度高达
100mbps的以太网最适合把多个消息聚合为单个数据包。您
可以使用IEEE1722 和 P1722a 封装子网协议。您可以把跨网 关发送的、源自子网的多个 CAN-FD 消息聚合为单个以太网 消息。作为一种异步协议，以太网的绝对速度克服了对严格 时序公差的依赖。消息缓冲区减少了时序抖动，并增加了时 延容差。

9 迁移到以太网
随着带 MII 或 RMII 接口的新型 PHY 的发展，半导体 供应商开始引入带有以太网 MAC 外围器件的汽车微控制 器。这为 OEM提供了可扩展的带宽、更快的网速以及专属 MOST 网络的有效替代方案。汽车行业也开始规范化以太网 平台，以方便在包括驾驶员辅助、信息娱乐和安全等各式各 样的系统中使用。这有利于降低成本，方便集成，简化从多 个供应商的器件采购。

10 总结
当 面 临 高 带 宽 数 据 传 输 需 求 时 ， 汽 车制造商可以在 LVDS 和MOST 之间选择。LVDS 速度快但成本高，因为它需要屏蔽缆线。 MOST 速度也很快，而且具有出色的 EMC 特性，但它
所需的光纤造价非常高，生产难度很大。现在，以太网取代 了昂贵的 LVDS 系统，特别是在驾驶员辅助摄像与信息娱乐 系统中应用比较普遍。当前的 100mbps 链路足以连接汽车中 的各个端点。然而，汽车行业很快就会需要速度达千兆位的 链路，确保以太网成为汽车电子架构的主干网。
参考文献：
[1]The Hansen Report on Automotive Electronics, "CAN FD Positioned for Success", Portsmouth/NHUSA, Vol. 25, No. 10, Dec. 2012/Jan. 2013
[2]Florian Hartwich, Robert Bosch GmbH, "CAN with
Flexible Data-Rate" online at http://www.can-cia.org/fileadmin/cia/files/icc/13/hartwich.pdf
[3]Christoph Hammerschmidt, "Ethernet succeeds in automotive environments", Oct. 14, 2011
EETimes automotive Europe, online at http://www.
automotive-eetimes.com/en/ethernet-succeeds-inautomotive- environments.html?cmp_id=7&news_
id=222901844
[4]EETimes, "Ethernet to gain ground in automotive applications, Bosch predicts", Feb. 5, 2011, online at http://www.eetimes.com/electronics-news/4212870/ Ethernet-to-gain-ground-in-automotive-applications-- Bosch-predict