車用EE架構(gòu)對CAN有何影響?

現(xiàn)在對車用EE架構(gòu)的變化路徑看法大致上統(tǒng)一了。

代表性的是Bosch的說法（引自佐思汽研發(fā)布《2019-2020 智能汽車計算平臺與系統(tǒng)架構(gòu)研究報告》智能汽車E/E架構(gòu)研究：特斯拉遙遙領(lǐng)先，傳統(tǒng)車企發(fā)力猛追）：從現(xiàn)在的分散的以信息Domain的系統(tǒng)過渡到強(qiáng)ECU的中心化域，再到跨Domain的Zone ECU。再下一步是計算中心與云。

與此對應(yīng)，通信系統(tǒng)也有變化，要從CAN 過渡到CAN與以太網(wǎng)共存。

首先，演變中ECU的數(shù)量只是減少一部分，只有那些軟件可以合并處理的ECU會集中到較強(qiáng)大的DCU（Domain Control Unit）中去，那些傳感器、執(zhí)行器的ECU仍然會存在。OTA是創(chuàng)新的商業(yè)模式：用軟件選項和更新來分期賺錢，以及減少服務(wù)的開銷，EE架構(gòu)的變化使DCU的量減少，也使軟件的集成變得容易，DCU的出現(xiàn)是為了便于OTA的實(shí)現(xiàn)。在這個前提下， DCU、傳感器ECU、執(zhí)行器ECU都要預(yù)留更新升級的能力，它的硬件成本會因部分合并的MCU及其供電電路量會減少；但單個MCU處理任務(wù)的增加本身就要求芯片算力（速度、容量）的提升，加上軟件復(fù)雜性增加、需要增加軟件的中間層次也使它提高了MCU算力的要求，它們的成本便不會降低。傳感器、執(zhí)行器ECU會增加更多的自診斷能力，以便功能安全的處理方法增加選項，減少無效維修的成本。這些診斷信息要及時上傳。車廠的競爭力在于性能，EE架構(gòu)的變化也是以性能為第一位的，降低成本是第二位的。

許多人認(rèn)為用以太網(wǎng)既可提高網(wǎng)速又可降低成本，可以在車控系統(tǒng)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CAN總線，所以在EE架構(gòu)中全用以太網(wǎng)，但是以太網(wǎng)在車的電磁環(huán)境中的用法是有疑問的：銅雙絞線以太網(wǎng)在應(yīng)用上遇到了困難，第一個吃螃蟹的BMW遇上了EMC問題，幾乎不得不推遲新車檔期，使后繼者望而生畏，這幾乎是血的代價，非常值得我們警惕。

如果過渡到塑料光纖以太網(wǎng)，干擾和帶寬可以解決。據(jù)新的消息，KDPF現(xiàn)在已經(jīng)有25G的產(chǎn)品了，它幾乎是CAN的2500倍帶寬，但是塑料光纖以太網(wǎng)的成本也是非常高的：例如普通電信光貓的收發(fā)器是RMB 50~100元一對（以太網(wǎng)是交換機(jī)，每個節(jié)點(diǎn)要一對接口）。而NXP的CAN收發(fā)器TJA1044是RMB1~3元一片?？紤]到CAN應(yīng)用中除收發(fā)器外還要其他的電路保護(hù)器件（如TVS、濾波電容、共模電感等），使用塑料光纖以太網(wǎng)的成本仍然要CAN的10倍以上，這是新EE架構(gòu)的巨大障礙。

因此昂貴的塑料光纖以太網(wǎng)只能用于非常必要的場合，例如ADAS DCU和幾個強(qiáng)計算能力的DCU或ZCU（zone control unit，例如Tesla的4個區(qū)域控制器），以及某些程序量大的專用ECU。CAN在局域子網(wǎng)中依然需要，新的EE架構(gòu)中DCU-ECU的CAN 2.0局域網(wǎng)中之間的通信需求也不會減弱。

這里就涉及2018開始的CAN XL 協(xié)議與CAN 2.0在新EE架構(gòu)中的定位問題。CAN XL 是Bosch要推出的新協(xié)議，它的主要目的是能擺渡（tunneling）以太幀（數(shù)據(jù)區(qū)達(dá)到2KByte）。同時對錯幀漏檢的CAN 2.0、CAN FD的功能安全不夠格的老問題作一次改進(jìn)，例如增加了頭部區(qū)的CRC檢驗(yàn)。為了改善信號波形，物理層也改變了：數(shù)據(jù)區(qū)高速傳送時采用的是正負(fù)電壓差表示0/1（CAN 2.0采用的是正電壓差和0表示0/1）。因此CAN XL是無法與CAN 2.0或CAN FD同時工作的。

在新的EE架構(gòu)中，大程序的DCU或ZCU、專用ECU基本上都是強(qiáng)大的CPU或MCU，它們已經(jīng)配置了塑料光纖以太網(wǎng)，以滿足其實(shí)時控制的需要，進(jìn)行OTA時不需要再擺渡，即不需要CAN XL。

而對于與DCU或ZCU相配的局域網(wǎng)中的傳感器、執(zhí)行器ECU，它們的程序小得多，OTA的時間是很小的，但是從CAN2.0改到CAN XL涉及很大的成本：所有原來的產(chǎn)品要一同更新，包括安全認(rèn)證。所以局域網(wǎng)中用CAN XL經(jīng)濟(jì)上是不合算的。

另一方面，如果EE架構(gòu)過渡到DCU或ZCU時，對應(yīng)的CAN局域網(wǎng)總線的長度可以縮短，例如總線長8m=40ns，收發(fā)器loopdelay=150ns（現(xiàn)有水平最好為120ns），那么CAN 2.0的位時間可用到500ns，如果MCU芯片設(shè)計使CAN 2.0可工作到3Mbps ，使用已有的高速收發(fā)器（原來供CAN FD用的，可達(dá)到5~8 Mbps），那么在局域網(wǎng)中便可以直接用CAN 2.0達(dá)到2~3Mbps，總線不需要用CANFD協(xié)議了（錯幀漏檢仍達(dá)不到要求的），也不會遇到CAN FD因變速帶來新的問題（各生產(chǎn)廠慢速部分采樣點(diǎn)設(shè)定不同造成切換出錯時初始相位差）。新EE架構(gòu)不僅使線纜的長度減少，同時局域網(wǎng)CAN 2.0總線的實(shí)時通信能力也得到了提高。

CAN 2.0可工作到2 Mbps的MCU芯片是有的，其型號是CY90950：

因此EE架構(gòu)的變化沒有給CAN XL留下足夠的市場空間，相反，如果在CAN 2.0的基礎(chǔ)上作功能安全的改進(jìn)，改掉CAN的4個功能安全隱患（EOF6設(shè)計造成的節(jié)點(diǎn)間不一致接收、等效離線故障、毛刺引起的優(yōu)先級倒置、比設(shè)計大幾千倍的錯幀漏檢率），加高CAN IP的工作速率，同時增大數(shù)據(jù)部分的到18字節(jié)，以滿足增加信息安全防護(hù)的需要，例如ECAN，會有很好的市場預(yù)期，也是國產(chǎn)MCU廠超車的好機(jī)會。

塑料光纖以太網(wǎng)的光電轉(zhuǎn)換部分信號能級是非常小的（1nw級），是否能抗得住來自電源的高頻（與信號GHz相同）傳導(dǎo)干擾，或者說能否設(shè)計好抗干擾的電源，尚有待觀察。因此仍然要考慮出錯可能，特別是局部干擾造成的出錯。EE架構(gòu)改變之后，用以太網(wǎng)傳送功能安全需要的信息，特別是需要分享的信息，需要特別關(guān)注數(shù)據(jù)的一致性。以太網(wǎng)用交換機(jī)分送到各節(jié)點(diǎn)，很難達(dá)到數(shù)據(jù)的一致性，例如送到輪1、2、3、4、v2x是剎車，送到v2x的剎車信號出錯了，就會使后車追尾，那么這個信號如何告訴到所有節(jié)點(diǎn)并加以糾正，將是十分費(fèi)時且軟件復(fù)雜的工作，不像CAN用那種總線報錯幀那么容易、及時。好在塑料光纖以太網(wǎng)的高傳送速率可以采取時間上的冗余：關(guān)鍵信息傳送3次，3中取2的表決方法，就不用報錯過程了。

實(shí)際上可以期待通過以太網(wǎng)交換機(jī)將關(guān)鍵信息傳到DCU或ZCU，處理之后通過子CAN 2.0總線去執(zhí)行，例如ADAS的處理結(jié)論要剎車還是轉(zhuǎn)向。還可以設(shè)想ADAS中產(chǎn)生的車速、姿態(tài)數(shù)據(jù)也可以傳送到相關(guān)的DCU去，例如用它們來代替EPS中推算出的車速、姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而更精確，也可以與EPS用的加速度傳感器互為冗余。由于計算判斷部分已集中到DCU或ZCU，所以這些信息不用轉(zhuǎn)發(fā)到CAN 2.0局域網(wǎng)中。

ECU中的信息，例如真實(shí)輪速、轉(zhuǎn)向角度、剎車力度、ECU的健康狀態(tài)、子CAN 2.0總線健康狀態(tài)也是關(guān)鍵信息，如果想在更高層次上作fail-operational冗余，它們也需要在塑料光纖以太網(wǎng)中交換。

新EE架構(gòu)中的通信（塑料光纖以太網(wǎng)和CAN 2.0局域網(wǎng)）主要不是為了省錢，而是提供更多的帶寬，提高車的安全性能。而安全是車的命根子，改進(jìn)CAN也是MCU廠可以給他客戶的禮物。
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