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汽车网络技术发展速度加快

在当代汽车内部,通常有近100个电子控制单元(ECU)。而在豪华车型中,该数字可能更大。这些ECU负责各种不同的功能,从制动和变速箱控制,到发动机管理和空调等各个方面。目前,这些ECU通过多种总线技术进行相互通信。但是,随着系统开始需要更高的性能和更快的响应速度,汽车网络协议在未来几年内将需要进行变革。

最近,为了支持汽车制造商工程团队正在设计的全新数据密集型功能,汽车网络基础设施所需的带宽出现了急剧攀升。例如,先进驾驶员辅助系统(ADAS)技术的更广泛采用要求获取和随后处理更大量的数据。此外,在接下来的十年中,自动驾驶的实施无疑将使这一高带宽需求至少再增加一个数量级。

然而,长期以来一直在使用的本地互连网络(LIN)和控制器局域网(CAN)等协议仍然在被广泛使用,但这些协议给汽车网络运行带来的限制已经变得越来越明显。面向媒体的系统传输(MOST)和FlexRay等协议具有更高带宽,原来预计这些技术会弥补一些不足,但实际上并没有达到市场最初预期的效果。

与此同时,汽车制造商及其一级供应合作伙伴正在试图从依赖多种不同的总线协议,转向实施一种更加一致的网络布局。新技术应该能够支持更快的数据速率和更低的延迟,还应该能够减少相关的电缆布线,从而能够降低材料成本,并提高燃油经济性(因为较少布线电缆可以减轻汽车的总重量)。最后,新技术应该具备更高程度的操作安全性,能够防止潜在的网络攻击,这些网络攻击注定会成为日益严重的威胁。

以太网的优势

谈起下一代汽车网络基础设施,汽车行业已经将以太网技术视为能够满足数据传输需求的强有力候选者。这种很早建立的通信协议通常应用在企业和工业等领域,在组件、软件、工具等方面具有可以重复利用的大量资源。单线对以太网联盟(OPEN)特别兴趣小组(SIG)是由宝马、Broadcom、飞思卡尔、Harman、现代和恩智浦等知名品牌组成的行业机构,其目标是将基于以太网的通信作为未来汽车网络的基础,并鼓励实施IEEE定义的汽车相关标准。

应用于汽车领域的以太网技术需要考虑到各种工程因素,而又不影响传统的以太网技术。数据传输是通过单根非屏蔽双绞线铜缆(而不是通常情况下需要多对电缆),这有助于简化系统实施,并节省空间。同时还需要考虑更高的工作温度,以及所处汽车环境下的静电放电(ESD)和电磁干扰(EMI)。尽管汽车以太网网络处于非常不利的工作环境,其PHY收发器需要能够确保可接受的低误码率(BER),从而不会影响信号完整性。

确定性操作是另一个重要方面。 ADAS功能,以及最终的完全自动驾驶要求更低延迟的数据传输,以便有些突发情况可以实时响应,并使车辆乘客或其他道路使用者的生命安全不会受到威胁。集成到汽车网络中的PHY还需要支持低功耗模式。当发动机关闭时,ECU和其他硬件将处于睡眠模式。此时,PHY将保持部分上电,仅在汽车网络上有活动后才唤醒系统。当代以太网PHY具有非常高的集成度,不需要额外的组件(例如电压稳压器等),这显著降低了能量消耗并延长了电池寿命。

100BASE-T1以太网协议(IEEE 802.3bw)的开发旨在满足早期汽车以太网所需的较高数据传输速率要求,通过半双工操作可达到100Mbps,并具有相对较低的延迟,以便在驾驶时能够有效管理自适应控制。它能够通过重叠原理,并利用特定的编码和扰码(scrambling)系统来降低EMI的影响。更先进的1000BASE-T1协议(IEEE 802.3bp)使用全双工模式通信,可以实现高达1Gbps速率的传输数据。按照技术发展路线图,未来几年内将达到数千兆位数据传输速率,相应的以太网标准已在开发中,以满足上述速率要求。

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图1:TJA1100框图。

汽车以太网产品组合

现在已经有越来越多的汽车以太网IC产品,其中恩智浦、Microchip和Broadcom是正在积极推动其开发的其中一些厂商,他们为当下的标准化进程做出了巨大贡献。恩智浦的TJA1100(如图1所示)是一个单端口100BASE-T1以太网PHY,可提供100Mbps的数据传输。它针对低功耗运行进行了优化,具有内置1.8V LDO稳压器和本地唤醒功能的睡眠模式。TJA1100完全符合AEC-Q100标准,工作温度范围为-40℃~+125℃。德州仪器(TI)的DP83TC811S-Q1 100Mbps以太网PHY支持全系列的独立多媒体接口。为了帮助系统监控和检测电缆断裂,并应对温度和电压的变化以及ESD的冲击,该器件配备了全面的诊断工具包(详见图2)。

图2:德州仪器(TI)DP83TC811S-Q1的电路原理图。

图2:德州仪器(TI)DP83TC811S-Q1的电路原理图。

Micochip的KSZ9031RNX(如图3所示)采用48引脚无铅QFN封装,支持最大1Gbps的数据速率, 它是一款三速(10BASE-T / 100BASE-TX / 1000BASE-T)以太网PHY,专门优化用于当代汽车网络设计,其自动协商机制可以自动选择所能处理的最高链接速度。该IC具有集成式LDO电压控制器,用于驱动低成本MOSFET为1.2V内核供电。Broadcom开发的BCM89610 10BASE-T / 100BASE-TX / 1000BASE-T PHY(见图4),也可支持最高1Gbps的数据速率,并具有业界领先的噪声消除和传输抖动(transmission jitter)功能,因此可以和各种不同质量的电缆配合使用。

图3:Microchip KSZ9031RNX框图。

图3:Microchip KSZ9031RNX框图。

图4:Broadcom的BCM89610框图。

图4:Broadcom的BCM89610框图。

结论

为了满足汽车网络基础设施不断增长的数据量需求,显然需要更高性能的标准化接口和通信协议。随着汽车系统的规模和复杂程度不断增大,以及它们需要支持的功能范围扩展,IC制造商面临着越来越大的压力,他们需要提供更先进的技术,同时降低相关的成本。人们普遍认为,以太网技术能够满足下述所有的要求:它是一种稳定且广泛使用的通信协议,同时也具有应用于汽车领域所必需的特性,并在未来能够提供更高的数据速率。

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