車載網(wǎng)絡(luò)淺析

倪斌

比亞迪上海有限公司 上海 201600

車載網(wǎng)絡(luò)簡介

隨著電控系統(tǒng)的日益復(fù)雜，以及對(duì)汽車內(nèi)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈接會(huì)使得車內(nèi)線束增多，由此對(duì)內(nèi)部通信的可靠性、安全性以及質(zhì)量方面都給汽車設(shè)計(jì)和制造帶來了很大的困擾。因此，為了減少車內(nèi)連線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和快速交換，同時(shí)提高產(chǎn)品可靠性等，在快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)CAN、CANFD、Eethernet等基礎(chǔ)構(gòu)造的汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即車載網(wǎng)絡(luò)。

1.CAN控制器局域網(wǎng)

CAN（ControllerAreaNetwork）總線是德國BOSCH在公司20世紀(jì)80年代初，為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制系統(tǒng)與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換，開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達(dá)1Mbps。

CAN總線特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他（一個(gè)或多個(gè)）節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)順序來決定通信次序，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息在134ps通信。

2）多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，不會(huì)對(duì)通信線路造成擁塞。

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

4）CAN總線傳輸介質(zhì)可以是雙絞線或同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長距離小數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性要求比較高，在多主、多從或者各個(gè)節(jié)點(diǎn)平等的現(xiàn)場中使用。

2.CAN-FD

CAN-FD（FlexibleDatarate），是一種增強(qiáng)版的CAN協(xié)議，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的數(shù)據(jù)包大小。

CAN協(xié)議的傳輸速率通常被限制在1Mbps，數(shù)據(jù)包大小為8字節(jié)。而CANFD協(xié)議可以支持更高的傳輸速率，可達(dá)到10Mbps，同時(shí)支持更大的數(shù)據(jù)包大小，可以達(dá)到64字節(jié)。

此外，CANFD協(xié)議還支持靈活的速率調(diào)整，可以在不同的數(shù)據(jù)傳輸速率之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，從而更好地滿足不同應(yīng)用的需求。然而，CANFD協(xié)議相對(duì)于CAN協(xié)議來說，需要更高的硬件和軟件支持，因此在一些應(yīng)用場景下可能不適用。

CAN-FD總線特點(diǎn)：

1）采用與CAN通信相同的事件觸發(fā)模式，軟件容易開發(fā)和移植。

2）最高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)5Mbit/s，更好地滿足要求高實(shí)時(shí)性高數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用。

3）每幀報(bào)文有效數(shù)據(jù)場為64字節(jié)，占整幀報(bào)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(wǎng)

傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議由于采用的是載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測(cè)技術(shù)，在數(shù)據(jù)包延時(shí)、排序和可靠性上達(dá)不到車載網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求，所以，常見的車載局域網(wǎng)仍是基于CAN的實(shí)時(shí)現(xiàn)場總線協(xié)議。但隨著汽車電子技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，ECU數(shù)量不斷增長，影音娛樂信號(hào)也納入車內(nèi)通信，這使得高實(shí)時(shí)、低帶寬的傳統(tǒng)車載總線開始不適應(yīng)汽車電子發(fā)展趨勢(shì)。

國際電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)經(jīng)過長期研究，在2016 年批準(zhǔn)了第一個(gè)車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)“100BASE-T1”。其基于博通公司的BroadR.Reach解決方案，在物理層用單對(duì)非屏蔽雙絞線電纜，采用更加優(yōu)化的擾碼算法來減弱信號(hào)相關(guān)性并增加實(shí)時(shí)性，可在車內(nèi)提供100Mbps高實(shí)時(shí)帶寬。

高速以太網(wǎng)在汽車干擾環(huán)境下的通信質(zhì)量也是需要重點(diǎn)考查的問題。在車輛上的復(fù)雜環(huán)境中，車載以太網(wǎng)需要考慮涉及電流浪涌、電磁干擾的影響，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)。

車載以太網(wǎng)

汽車行業(yè)正在迅速發(fā)展，新的車型具有無與倫比的創(chuàng)新特征，其需要和車輛、路邊基礎(chǔ)設(shè)施、互聯(lián)網(wǎng)以及高度先進(jìn)的車載信息娛樂系統(tǒng)進(jìn)行相互通信。汽車還配備了基于傳感器的安全系統(tǒng)，可以通過傳感器來消除碰撞，顯著提高交通安全。

大多數(shù)的新功能和應(yīng)用都需要依賴昂貴且復(fù)雜的布線和需要較大帶寬的電子設(shè)備，同時(shí)，這些復(fù)雜電子設(shè)備之間需要完成大量而復(fù)雜的指令和數(shù)據(jù)傳遞。為了解決這個(gè)問題，新的汽車車載以太網(wǎng)規(guī)范和技術(shù)協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范的車載通信網(wǎng)絡(luò)將顯著降低所需布線的成本和整備質(zhì)量。

1.以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)喚醒

以太網(wǎng)ECU通信喚醒需通過CAN來實(shí)現(xiàn)。所有以太網(wǎng)ECU在啟動(dòng)以太網(wǎng)通信前，必須先喚醒對(duì)應(yīng)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

ECU以太網(wǎng)通信須支持圖1所示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，其中傳輸層及上層應(yīng)用協(xié)議可根據(jù)實(shí)際功能需求來選擇對(duì)應(yīng)協(xié)議。

圖1 以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)

3.標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

電路原理圖必須包含以下器件及其詳細(xì)信息：以太網(wǎng)收發(fā)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(biāo)準(zhǔn)接口電路中相關(guān)元器件須滿足OABR規(guī)范要求。

4.以太網(wǎng)收發(fā)器

收發(fā)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(fā)器，其他型號(hào)的收發(fā)器須在與主機(jī)廠溝通確認(rèn)允許后方可使用。

表1 指定收發(fā)器

5.低通濾波

為了抑制內(nèi)部脈沖，推薦在收發(fā)器輸出端先布置低通濾波電路。如果收發(fā)器內(nèi)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(hào)對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)必須考慮ESD及過電壓保護(hù)。

主機(jī)廠指定使用的ESD保護(hù)器件型號(hào)詳見表2，其他型號(hào)的ESD保護(hù)器件須經(jīng)過主機(jī)廠允許后方可使用。注意，必須對(duì)BR+和BR-進(jìn)行雙向保護(hù)。

表2 ESD保護(hù)器件

如果部分芯片廠商內(nèi)置了ESD保護(hù)器件，且符合主機(jī)廠EMC相關(guān)測(cè)試要求，接口電路中無需再增加，但必須預(yù)留ESD布置位置。

7.以太網(wǎng)共模扼流圈

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

以太網(wǎng)共模扼流圈需滿足OABREMC Test Specification for Broad R-ReachTM Common Mode Chokes規(guī)范要求。

主機(jī)廠指定的以太網(wǎng)線圈列表詳見表3，其他型號(hào)的以太網(wǎng)線圈須在主機(jī)廠允許后方可使用。

表3 CMC器件

網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載計(jì)算

通過以下通用計(jì)算方法可以得到總線負(fù)載的計(jì)算方法，并結(jié)合不同的通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)得到不同的總線帶寬，這里將適配到新架構(gòu)使用的CAN、CANFD和Ethernet。

不同的通訊網(wǎng)絡(luò)都有固定的比特率B R（單位bps），根據(jù)波特率可計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)的位時(shí)間t

不同的通訊網(wǎng)絡(luò)都有固定的數(shù)據(jù)格式，即可得到每一幀報(bào)文的位長度L，可計(jì)算得出每幀報(bào)文占用的位時(shí)間T

通過結(jié)合報(bào)文的周期P（單位ms），即可得到1s內(nèi)該幀報(bào)文發(fā)送的次數(shù)N

1s內(nèi)發(fā)送的該幀報(bào)文占用的總位時(shí)間Ta

因此，發(fā)送該報(bào)文占用的負(fù)載率

1.CAN總線負(fù)載計(jì)算方法

圖2所示是CAN幀結(jié)構(gòu)示意圖。CAN幀結(jié)構(gòu)分為8個(gè)場，分別為幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場、幀結(jié)束和ITM場。

圖2 CAN幀1結(jié)構(gòu)

根據(jù)BOSCH制定的CAN2.0規(guī)范，CAN幀除了幀結(jié)束場和I T M場外，其余部分都需要滿足位填充規(guī)則。該規(guī)則定義：如果連續(xù)出現(xiàn)5個(gè)顯性位或者隱性位，則需要填充一個(gè)相反的bit。其中，所有除長度不固定的數(shù)據(jù)場外，其他滿足位填充規(guī)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(dá)到37+7=44bit，加上幀結(jié)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(shù)據(jù)場外，總長度為50bit，所以幀總長度

所以

對(duì)于單條CAN傳輸?shù)膸壳爸鳈C(jī)廠定義的典型單幀周期所占負(fù)載見表4。

表4 單幀周期幀所占負(fù)載

以上計(jì)算均為單幀，對(duì)于計(jì)算多幀周期，直接乘以對(duì)應(yīng)幀數(shù)量即得出所占負(fù)載。需要注意的是：這里計(jì)算中的CAN的標(biāo)準(zhǔn)波特率（傳輸速率）為500kbps。

2.CANFD總線負(fù)載計(jì)算方法

圖3所示為CANFD幀結(jié)構(gòu)，CANFD幀分為仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC校驗(yàn)場、ACK應(yīng)答場和幀結(jié)束場。一幀CANFD報(bào)文可以進(jìn)行兩種傳輸速率切換，其中仲裁場和ACK場速率（BR1）和傳統(tǒng)CAN相同，數(shù)據(jù)場的傳輸速率（BR2）最高可達(dá)8Mbps（車內(nèi)一般使用2M，OBD一般使用5Mbps）。

圖3 CANFD幀結(jié)構(gòu)

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(jié)束場外也需要滿足位填充規(guī)則。除幀結(jié)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(jié)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(jì)算的單條CANFD傳輸?shù)牡湫椭芷趲钾?fù)載，其中，BR1=500kbps，BR2=2Mbps。

表5 單幀10msCANFD周期幀所占負(fù)載

以上計(jì)算的均為單幀，對(duì)于計(jì)算多幀周期，直接乘以對(duì)應(yīng)幀數(shù)量即得出所占負(fù)載。

3.Ethernet負(fù)載計(jì)算方法

對(duì)于以太網(wǎng)的負(fù)載計(jì)算方法，目前針對(duì)新架構(gòu)會(huì)使用到基于服務(wù)訪問的傳輸方式，應(yīng)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(huì)使用，這里提供這兩種傳輸方式的以太網(wǎng)幀負(fù)載計(jì)算方法。

（1）基于服務(wù)訪問的傳輸方式 此類特點(diǎn)為按需傳輸，可通過計(jì)算最大數(shù)據(jù)傳輸所占帶寬的方式。需通過最快數(shù)據(jù)傳輸間隔P、最大數(shù)據(jù)傳輸速度BR、數(shù)據(jù)長度L，得到Busload=L×8/(PBR)，其中數(shù)據(jù)長度L=14+8+20+DLC+5=63+DLC，DLC為應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)長度，需結(jié)合不同應(yīng)用層協(xié)議。

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

先計(jì)算單幀Busload=L×8/(PBR)，再通過幀累加得到整條以太網(wǎng)的負(fù)載。

4.乘用車項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載計(jì)算實(shí)例

在計(jì)算表6的整條PT-CAN的總線負(fù)載時(shí)，需參考對(duì)于項(xiàng)目的架構(gòu)圖進(jìn)行分析。這里以某乘用車項(xiàng)目的架構(gòu)為例，來計(jì)算PT-CAN上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀，并使用上述方式相加得到PT-CAN的總負(fù)載。

表6 某乘用車項(xiàng)目PT-CAN負(fù)載

結(jié)語

車載網(wǎng)絡(luò)伴隨著智能網(wǎng)聯(lián)和智能駕駛等新興技術(shù)，目前已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，可以預(yù)見，隨著相關(guān)技術(shù)及其衍生功能的發(fā)展，車載網(wǎng)絡(luò)的推廣必定越來越快。

同時(shí)，車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息處理的實(shí)時(shí)性和承載量必將不斷加大，因此，對(duì)于新型的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)等）的發(fā)展需要密切跟蹤和研究。承載著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和車載智能系統(tǒng)迅速發(fā)展需要的高速車載網(wǎng)絡(luò)，其復(fù)雜性和負(fù)載裕度要求將大大提高，這對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)設(shè)計(jì)者來說都是必須要認(rèn)真對(duì)待的全新課題。