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技術發展的要求使得將來汽車網絡的架構是由高度集成的域控制器來構建，這些域控制器由高速的系統總線互聯。業界的趨勢顯示以太網將取代CAN成為骨干網。FlexRay、CAN、LIN將繼續在子網絡中將智能節點連接在一起。這種高度互聯的網絡架構需要強大的域控制器。 圖1顯示了一個典型的由若干域控制器(DomainController)組成的車載網絡結構。該車載網絡以高速以太網作為骨干，將四個核心域控制器(動力總成、車身及舒適系統、底盤系統、信息娛樂)連接在一起。每個域控制器在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的網關功能。這種基于域控制器的架構終于徹底顛覆了傳統的車載網絡中ECU到ECU的點到點通信方式。如在車身及舒適系統域內部，各部件通過CAN、LIN溝通。在需要與其他域交換信息時則經由網關、以太網路由。這些域控制器不僅需要強大的實時處理能力，還必須同時擁有豐富的通信接口。 高速車載網絡的技術趨勢 新的諸如基于視頻的泊車、車內電視及駕駛輔助系統等應用需要大量的程序及數據空間。例如一個高端車系列已經具有了超過1GM的嵌入式存儲空間分布在超過100個ECU中。隨著ECU的數量以及嵌入式存儲器容量的增大，網絡的帶寬也需要隨之增大許多。以下列舉三個突出的技術發展要求。 以太網 隨著數據容量、嵌入式存儲器和域控制器架構的發展，車上需要新的高速互聯接口。由于已廣泛使用，以太網是一個明顯的選擇并已經在量產的車上采用。起初，以太網用作高性能的網絡診斷，或者在車廠或維護中心用于軟件下載。隨著更多OEM開始使用，就產生了相應的ISO/SAE標準，將以太網用作診斷OBD接口。現在以太網已經在環視系統中采用了。這也在很大程度上歸功于低成本而又滿足EMI性能的非屏蔽雙絞線的采用。以太網用作車載骨干網是很適合的，主要原因是： ●增加了帶寬選擇； ●在保持低EMI條件下采用低成本的非屏蔽雙絞線； ●以太網是技術及市場成熟的網絡架構； ●已經有很多有經驗的技術開發者； ●容易與消費電子集成； ●有許多供應商提供軟件和硬件； ●有許多低成本甚至免費的工具。 對高速并可擴展帶寬的需求是采用以太網的重要動因。在非汽車應用中1GB甚至10GB帶寬的應用已屬平常，汽車網絡的帶寬相對滯后了。 以太網另一個強勁的優勢在于其生態系統，已經有大量成熟的開發人員、軟件、工具、供應商和實際應用的經驗供汽車上的應用采納和參考。再加上以太網已經在一些車型上開始量產使用，可以預見將來用量會激增并成為域控制器之間互聯使用的車載骨干網。ENET從技術上也已經完全支持音視頻橋接(AVB)標準，滿足AVB的業務質量需求。AVB中的網絡多線程能夠將不同的通信類型在硬件上獨立開，使得軟件驅動更加有效，從而顯著降低CPU的負載。網絡多線程和流量成型技術還能夠容易地將不同的通信任務分離，以保證高優先級的數據總是得到及時傳送。例如在一個域控制器中將車身控制和網關的功能集成在一起。車身及網關的數據可以通過分解通信多任務來共享同一個MAC。這有助于最重要的任務(如網關)總是能夠得到足夠的網絡帶寬。 CANFD及其它通信接口 將來MCU中的Flash的容量顯著增大，這導致量產時燒寫和維護的時間相應延長，從而增加成本。同時更加復雜的ECU之間的通信數據量也會增加。這些都需要顯存網絡的帶寬增大。此外，由于診斷和骨干網采用了高速的以太網，那么相應地需要現有CAN2.0網絡的帶寬也要增加，即在保護業界已有投資的同時也能適應高速網的需要。這就催生了CANFD(ISO11898-7)協議：靈活速率的CAN。CANFD允許波特率達到8MB/s，每幀的凈荷達64字節。當CANFD采用大凈荷配置時，其速率可達CAN2.0的6倍。 智能及高集成度的執行器和傳感器通過各自的網絡交換信息。許多車身電子節點通過CAN或LIN通信。通信延時、帶寬及成本都是影響選定特定接口的因素。除CAN、LIN之外，在動力總成和底盤安全系統中SENT和PSI5接口也在不斷增加業界的興趣，能為將來的網絡降低成本。例如PSI5與LIN相比將3線通信降為2線通信。盡管有很多新的網絡協議會在車載網絡通信中采用，CAN、LIN節點的數目仍然會顯著增加。據StrategyAnalytics預測，到2018年LIN節點會超過10億個，而CAN節點會超過20億個。而每部車的LIN節點數約為10個，CAN節點數約為20個。LIN節點的年復合增長率會明顯高過CAN，達到13%。 整車軟件刷新(Vehicle Reflashing) 整車應用軟件的刷新及重新編程是汽車電子的一個前沿方向。傳統車上軟件的刷新需要在嚴格管理的車廠或者是在例行的維護條件下進行。而將來整車軟件刷新將擴展到諸如提高用戶的便利性、無線軟件升級等方面。現代汽車上可能具有達到50MB的嵌入式Flash分布在很多MCU上(這還不包括信息娛樂系統或多媒體系統)。OEM希望有安全、保密、方便、可靠的方式來更新軟件。面對的技術挑戰可能有： ●安全性：新的軟件不能造成任何系統誤操作；能夠恢復到先前可靠的軟件版本； ●安防性：軟件升級過程中不能被劫持，或有任何非授權的升級； ●透明性：軟件升級對用戶如駕駛員的影響最小。 車廠還可能需要在車輛運行時升級軟件，或者下載一個軟件版本使得車輛處于安全模式(如存儲非運行狀態)。 面向域控制器的多核車身MCU 面對車載網絡發展的需求，需要全新高性能的MCU。飛思卡爾的MPC5748G正是面向此類應用的系列微處理器。MPC5748G在具備高強性能的同時，又擁有豐富的通信接口(如100M車規以太網接口)和靈活的低功耗模式。片上的FlexCAN3采用靈活的緩沖配置機制，能夠同時交織地支持CAN2.0和CANFD。MPC5748G具備專用的特性來滿足整車軟件刷新的要求，如能夠接受存儲程序映像，并將映像分發到其它相關的節點。MPC5748G非常適合作為高級的中央網關處理器、高端的車身域控制器，甚至兼備網關和域控制器的功能。 MPC5748G配備了2個主頻為160MHz的Power Architecture的e200z4內核、1個80MHz的e200z2內核、6MB的Flash、768KSRAM。除了靈活的低功耗模式外，還配備了硬件加密模塊(HSM)，其性能超越了HIS(Hersterller Initiative Sofeware)的SHE(加密硬件擴展Hardware Secure Extension)的要求。不僅如此，作為飛思卡爾Safe Assure項目的重要產品，MPC5748G的開發符合汽車功能安全標準ISO26262，適合至少ASIL-B級別的安全應用。由于有針對性的多核設計，MPC5748G特別適合在單個MCU中同時支持多個應用。高度獨立的內核及其相關資源使得應用軟件能夠容易地隔離開。MPC5748G允許將一個內核及相應的片內外設和存儲器資源配置給一個應用，而將剩余的資源分配給另外的完全獨立的應用。為了便于在復雜的制造環境中管理多個版本和控制成本，需要在相同的硬件平臺上可配置地使能相應的特性集合。應用軟件層面隔離的另一個顯著優點是能夠便捷地集成許多獨立自治運行的第三方軟件。圖2給出了MPC5748G的軟件應用示例。在這個例子中，單個MPC5748G可實現兩個獨立的功能： ●實現經典的汽車軟件開放架構(AUTOSAR)和車載網關功能； ●配置專有的存儲器及外設資源； ●與IP功能獨立，但能與其安全有效地通過中斷和共享內存來交換數據IP聯接; ●聯接到整車網際以支持如車內分布式Flash下載； ●使用一個專有的e200z4內核。有獨立的RAM、Flash、OS、Watchdog及系統資源。 小結 基于域控制器的高速互聯是車載網絡發展的趨勢。技術的發展需要采用全新的網關域控制MCU。域網關MCU應該具備高性能、多核、豐富車用互聯接口和加密通信等特性。 |
