傳感器數(shù)量暴增 汽車生態(tài)系統(tǒng)押注以太網(wǎng)

在汽車中添加更加復(fù)雜和安全的電子部件的軍備競(jìng)賽正在迫使汽車制造商重新審視日益電動(dòng)化、連接性日益豐富的汽車內(nèi)的通信系統(tǒng)。

直到最近，車內(nèi)部件之間的通信還是過于簡(jiǎn)單，車輛之間也不存在任何通信，現(xiàn)在，這種局面正在迅速演變。更多車內(nèi)電子設(shè)備之間、汽車之間、汽車和基礎(chǔ)設(shè)施之間的快速和安全通信成為輔助駕駛和自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵要素。

然而，還有很多東西沒有準(zhǔn)備就位。Valens汽車公司高級(jí)副總裁Micha Risling表示，除非出現(xiàn)新的解決方案，否則，汽車原始設(shè)備制造商將不得不在一些他們想要引入的功能上進(jìn)行妥協(xié)，特別是在自動(dòng)駕駛方面。“因?yàn)槲覀冋谝揽科嚰爸苓叺拇罅繑?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，我們正在談?wù)摰氖瞧囆袠I(yè)的一場(chǎng)革命，并不僅僅是連接性上的改變。同樣的理念適用于目前正在使用以及將要使用的所有不同元素。這真的改變了汽車的設(shè)計(jì)方式?！?/p>

傳感器數(shù)量的激增是推動(dòng)汽車通信系統(tǒng)改善的動(dòng)力之一。目前的汽車中部署了多達(dá)16種甚至更多不同類型的傳感器：激光雷達(dá)、雷達(dá)、加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器。所有這些傳感器都需要連接到車輛中的ECU上。隨著汽車內(nèi)添加更多的自主駕駛功能，這個(gè)數(shù)字還會(huì)顯著增長(zhǎng)。

生產(chǎn)汽車傳感器的聯(lián)華電子公司市場(chǎng)副總裁Steven Liu說：“車輛之間、車輛和基礎(chǔ)設(shè)施的之間的通信越來越頻繁，意味著車載雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)量需要不斷增加?！安渴疬@些系統(tǒng)，需要的技術(shù)包括汽車防碰撞雷達(dá)和全球定位系統(tǒng)，以及汽車和停車燈、車輛調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行交互所需的傳感器。這些系統(tǒng)將與現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)合使用，比如乘客舒適控制系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)，以及調(diào)節(jié)溫度、檢測(cè)輪胎壓力和氣體的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)。用于長(zhǎng)途運(yùn)輸目的的卡車需要負(fù)載平衡、負(fù)載轉(zhuǎn)移、控制動(dòng)力曲線和風(fēng)切變的系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)一起工作以確保貨物在運(yùn)輸過程中不會(huì)被損壞，以及卡車集裝箱在整個(gè)行駛行程中的穩(wěn)定。所有這些5G通信應(yīng)用對(duì)于各個(gè)系統(tǒng)完成各自操作來說都是必不可少的。”

但是鑒于迄今為止存在的技術(shù)和通信解決方案，線束集群正在成為一個(gè)難題。還有一個(gè)痛點(diǎn)就是軟件代碼的規(guī)模。相較而言，一輛自動(dòng)駕駛汽車的軟件代碼行數(shù)可能比F-35噴氣式飛機(jī)多大約100倍，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車需要處理的操作場(chǎng)景遠(yuǎn)比噴氣式飛機(jī)要多。

“飛機(jī)自動(dòng)飛行時(shí)，99%的時(shí)間里身邊都沒有其它飛機(jī)，”Valens汽車公司的Risling說?！跋噍^之下，就拿一輛在曼哈頓或拉斯維加斯某個(gè)地方行駛的汽車來說吧，每秒都需要處理可能出現(xiàn)的各種不同的場(chǎng)景，這就是為什么你需要在汽車上部署大量的特殊、復(fù)雜和先進(jìn)軟件的原因。ECU自己需要復(fù)雜的軟件，ECU之間通信也需要復(fù)雜的軟件，尤其在自動(dòng)駕駛汽車中更是如此。當(dāng)你處理安全相關(guān)的功能時(shí)，你需要部署很多冗余。冗余使得架構(gòu)變得更加復(fù)雜。你需要更多ECU，更多的通信節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然，也需要更先進(jìn)的連接技術(shù)?！盧isling解釋說。

押注以太網(wǎng)

目前，汽車生態(tài)系統(tǒng)正在將汽車以太網(wǎng)作為車載通信的主要技術(shù)規(guī)范。以太網(wǎng)已經(jīng)問世40多年，在各種環(huán)境條件下都得到了很好的驗(yàn)證。

“以太網(wǎng)主要用于信息娛樂和視頻等領(lǐng)域，但汽車行業(yè)也引入了以太網(wǎng)，”Synopsys IP部門的以太網(wǎng)產(chǎn)品線經(jīng)理John Swanson說?！拔覀?cè)谄囍惺褂?0/100Mbps的以太網(wǎng)時(shí)就知道它不夠快，很快就轉(zhuǎn)換到了千兆以太網(wǎng)上，但是千兆也不夠快。看看自動(dòng)駕駛汽車，只需要拿出攝像頭這么一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子就能說明這種情況。因?yàn)槟阈枰雒娌孔R(shí)別和路標(biāo)識(shí)別，所以需要高分辨率的視頻，有很多路視頻進(jìn)來。這個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)量非常大，所以不用太長(zhǎng)的時(shí)間，1 Gbps的汽車以太網(wǎng)就會(huì)過時(shí)，它會(huì)迅速進(jìn)化到2.5Gbps和5 Gbps，甚至更快?！?/p>

這促使像Marvell這樣的芯片制造商將以太網(wǎng)用作汽車內(nèi)部的高帶寬、標(biāo)準(zhǔn)化的主干通道，將之前獨(dú)立的汽車信息娛樂系統(tǒng)、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、車身電子設(shè)備和控制系統(tǒng)連接起來。 未來，這些信息將和自主駕駛車輛所需的其他傳感器連接起來，以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)連接和與車外的連接。

Marvell公司連接、存儲(chǔ)和基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部市場(chǎng)總監(jiān)Venu Balasubramonian表示：“以太網(wǎng)市場(chǎng)歷來被分為兩個(gè)不同的領(lǐng)域。一個(gè)是速率高達(dá)25/50/100/400Gbps的數(shù)據(jù)中心，這個(gè)市場(chǎng)推動(dòng)著以太網(wǎng)帶寬的不斷提升。另一個(gè)是10 Gbps速率的銅纜服務(wù)的企業(yè)市場(chǎng)?，F(xiàn)在，由于汽車電子設(shè)備的增加，汽車以太網(wǎng)市場(chǎng)逐漸成型。所有的數(shù)據(jù)和交換都需要一定的帶寬。以太網(wǎng)技術(shù)需要不斷加強(qiáng)。”

他指出，汽車市場(chǎng)最終可能需要100 Gbps的以太網(wǎng)來傳輸圖像傳感器的所有數(shù)據(jù)。而且，通過利用以太網(wǎng)的低成本和高帶寬，下一代汽車架構(gòu)將能夠?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用，包括現(xiàn)在可能還想象不到的功能。

Mentor公司的系統(tǒng)架構(gòu)師Sherif Ali觀察到，汽車OEM廠商已經(jīng)開始重新審視他們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以增加一個(gè)以太網(wǎng)骨干網(wǎng)和用于診斷車輛的以太網(wǎng)診斷（DoIP）。 “鑒于未來大多數(shù)OEM廠商均試圖通過空中升級(jí)來更新車輛軟件，這意味著大量的數(shù)據(jù)將被下載到ECU中以更新汽車內(nèi)數(shù)百個(gè)ECU的軟件。這也意味著我們需要一種能夠在升級(jí)期間使用大量數(shù)據(jù)來更新軟件的方法，實(shí)際上，以太網(wǎng)DoIP已經(jīng)提供了這種靈活性和這種能力。我們不僅使用以太網(wǎng)作為ECU之間通信的主干通道，還可以把它作為ECU與OEM廠商或4S店之間的接口。以太網(wǎng)將發(fā)揮很大的作用，使用以太網(wǎng)的規(guī)模也將會(huì)擴(kuò)大?！?/p>

今天，原始設(shè)備制造商正在使用以太網(wǎng)總線這種骨干網(wǎng)技術(shù)來連接大量的ECU，業(yè)界也有兩個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)（AUTOSAR和Open Alliance）正在促進(jìn)以太網(wǎng)使用和測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化。

Ali說：“AUTOSAR提供了一個(gè)實(shí)施和測(cè)試以太網(wǎng)的規(guī)范。AUTOSAR中有一部分內(nèi)容被稱為驗(yàn)收測(cè)試，它不僅適用于以太網(wǎng)，也適用于很多其它通信標(biāo)準(zhǔn)，不過，該驗(yàn)收測(cè)試包含了用來定義AUTOSAR供應(yīng)商如何測(cè)試其以太網(wǎng)基礎(chǔ)軟件的規(guī)范，以確保它們符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。Open Alliance也提供了汽車以太網(wǎng)規(guī)范，去年他們發(fā)布了汽車以太網(wǎng)ECU測(cè)試規(guī)范。從測(cè)試和協(xié)議規(guī)范上，行業(yè)已經(jīng)做好了相應(yīng)的準(zhǔn)備?！?/p>

事實(shí)上，考慮到未來自動(dòng)駕駛汽車的安全性和可靠性，測(cè)試汽車以太網(wǎng)是至關(guān)重要的。

目前，汽車以太網(wǎng)測(cè)試包括三類測(cè)試：

一致性測(cè)試。它確保實(shí)施以太網(wǎng)協(xié)議的每一個(gè)軟件都符合以太網(wǎng)協(xié)議，通常，一致性測(cè)試需要大量的測(cè)試用例。

集成測(cè)試。它確保一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施能夠按照預(yù)期正常運(yùn)行。在一個(gè)完成的網(wǎng)絡(luò)中，通常使用集成測(cè)試來測(cè)試基礎(chǔ)架構(gòu)的健壯性。

性能測(cè)試。它測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、軟件端和網(wǎng)絡(luò)端的性能。這個(gè)測(cè)試主要針對(duì)軟件層面。

“可以肯定的是，由于以太網(wǎng)使用的是低成本的互連介質(zhì)（雙絞線），進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，使用非傳統(tǒng)的多級(jí)信令（PAM-3），因此，從汽車內(nèi)部的一個(gè)以太網(wǎng)控制器向另一個(gè)以太網(wǎng)控制器傳送信號(hào)具有一定的挑戰(zhàn)性，”Cadence的PCB、IC封裝以及信號(hào)和電源完整性部門的產(chǎn)品管理總監(jiān) Brad Griffin表示。 “集成多個(gè)模塊需要通過一致性測(cè)試。仿真工具提供了虛擬一致性測(cè)試供暖，以確保在實(shí)際設(shè)計(jì)模塊之前滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，減少了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量，并有助于加快產(chǎn)品向市場(chǎng)的交付。”

“與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要了解一些使他們的汽車以太網(wǎng)系統(tǒng)更容易測(cè)試的知識(shí)?！盡entor公司的Ali指出，“他們需要了解拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。使用代碼或軟件中的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要使用什么樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？如果只是一個(gè)實(shí)現(xiàn)DoIP服務(wù)的以太網(wǎng)連接，那么它的吞吐量或性能會(huì)和實(shí)現(xiàn)大量ECU通信的以太網(wǎng)連接有所不同。從測(cè)試和設(shè)計(jì)的角度來看，這是非常重要的。設(shè)計(jì)小組還需要了解ECU的位置。它是一個(gè)網(wǎng)關(guān)嗎？還是一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)？這也是影響測(cè)試或測(cè)試案例實(shí)施的一個(gè)方面?！?/p>

其它挑戰(zhàn)

從IP的角度來看，汽車以太網(wǎng)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是增加了時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

Synopsys公司的Swanson說：“當(dāng)說到時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，人們會(huì)以為它是一個(gè)單一的規(guī)范，但是實(shí)際上它是一整套有效的工具箱規(guī)范。 你有不同的shaping算法嗎？需要處理搶占任務(wù)嗎？因此，人們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)之一是如何使用這些新功能。然而，在汽車行業(yè)，人們學(xué)習(xí)各種不同的方法，解決問題的方法也很多。這就意味著挑戰(zhàn)在于決定將哪些功能放到一顆芯片上。如果一個(gè)端點(diǎn)需要面對(duì)不同的需求，就需要轉(zhuǎn)換解決方案。如果涉及視頻內(nèi)容，那么它就需要比只實(shí)現(xiàn)單純的控制功能更多的帶寬。因此，了解你面向的市場(chǎng)非常重要，深刻的理解才能實(shí)現(xiàn)真正優(yōu)化的設(shè)計(jì)?！?/p>

人們已經(jīng)在這方面開展了不少研究。New Hampshire大學(xué)的互操作性實(shí)驗(yàn)室（IOL）的以太網(wǎng)技術(shù)高級(jí)經(jīng)理表示：“汽車以太網(wǎng)已經(jīng)落地運(yùn)行，它可以為汽車中的BaseT以太網(wǎng)執(zhí)行PHY一致性半導(dǎo)體測(cè)試。原始設(shè)備制造商迫切想要在很多領(lǐng)域迅速解決很多問題，這就是為什么汽車領(lǐng)域突然同時(shí)發(fā)生很多事情的原因。當(dāng)談到自主駕駛時(shí)，很多人都會(huì)想到在車輛之間、車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間使用無線通信，這當(dāng)然是正在成型的自主駕駛生態(tài)系統(tǒng)的一部分圖景。但是，即使使用了無線技術(shù)，汽車內(nèi)部從多個(gè)傳感器收集信息、從攝像頭捕捉圖像的應(yīng)用也需要使用一種高帶寬、高可靠的車載通信網(wǎng)絡(luò)。這就是BASE-T1技術(shù)正在進(jìn)入并開始取代現(xiàn)在的CAN和FlexRay總線的原因，它們能夠提供更高的帶寬，以便在即將到來的未來能夠?qū)崿F(xiàn)自主駕駛。”

就如何使設(shè)計(jì)更易于測(cè)試而言，Donahue基于實(shí)驗(yàn)室條件下針對(duì)未來BASE-T1技術(shù)進(jìn)行的100BASE-T1實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了說明。他說：“IEEE規(guī)范并沒有以一種清晰的方式描述如何進(jìn)行測(cè)試，它們描述了存在哪些需求，需要進(jìn)行哪些測(cè)試，但是可能沒描述如何進(jìn)行測(cè)試。芯片供應(yīng)商注意到IEEE規(guī)范定義了一些要求，但是這些要求不一定是可測(cè)試的。比如，在存在很多內(nèi)部信號(hào)的地方，芯片供應(yīng)商通常不會(huì)為了測(cè)試內(nèi)部信號(hào)而分配專用的引腳。在這些領(lǐng)域中，確定什么合格什么失敗可能非常困難。硅片供應(yīng)商有時(shí)會(huì)比較沮喪，因?yàn)镮EEE標(biāo)準(zhǔn)并沒有直接說明哪些是必須測(cè)試的，哪些必須是可測(cè)試的，所有，很可能無法得到一個(gè)完整的可測(cè)試的報(bào)告。”

結(jié)論

汽車以太網(wǎng)似乎是人們可以接受的汽車通信方案。它很好理解、部署成本低，經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。而且，在當(dāng)前的技術(shù)路線圖中，僅僅通過使用光纜替代銅纜就可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

但是，在解決方案之間的互操作性和以太網(wǎng)規(guī)范的解釋澄清方面還有許多工作要做。盡管目前來看，至少在車載通信方面，以太網(wǎng)技術(shù)似乎是個(gè)大贏家，但是目前還有一些正在開發(fā)中的其它備選方案。和快速發(fā)展的汽車市場(chǎng)中的所有東西一樣，任何事情都可能改變。