市场和技术趋势

车载网络技术是当今车辆所有电气功能的支柱。 汽车行业联合技术提供商和标准化机构,开发了专门的通信协议或对现有标准进行了扩展,以满足汽车领域的苛刻要求。 如今,大多数网络解决方案都是由标准化机构(如 ISO、IEEE 或 SAE)进行标准化和维护的。

随着利用移动计算和自动化的进步,应用需求也随之不断演变,支持这些应用程序的协议也必须相应地发展和扩展。 当 Bosch 发明 CAN 时,500kbps 比特率和 8 字节的有效负载就足够了。 今天,CAN-XL 采用非常相似的技术,支持 10Mbps 的传输速度和 2 千字节有效负载。

ECU 数量的增加和垂直信息交换的爆炸式增长也改变了 ECU 的逻辑组织方式。 从按功能组织 ECU 的垂直方法来看,随着越来越多的计算量转移到中央汽车服务器或计算群集中,车辆计算架构正在按物理位置转变为群集 ECU。 底层通信技术的进步使这种重组成为可能。

瑞萨电子致力于帮助客户开发支持这些新技术的低能耗和低成本解决方案。

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Communication Speeds of Automotive Network Protocol
汽车网络协议的通信速度

CAN(控制器局域网)

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CAN market penetration
CAN 市场渗透

CAN 是中低速汽车控制应用中最常用的协议。 CAN FD(灵活数据率)最初被指定用于高达 1Mbps 的传输速度和 8 字节的有效负载数据,旨在以 64 字节的有效负载提高最大传输速度。 标准的 CAN 收发器支持 2Mbps 的比特率,在有利条件下甚至可达到 4Mbps。 为实现 4Mbps 甚至更高的速率,需要特殊的“信号改善”收发器。 理论上 8Mbps 的最大速度可在特定操作条件下实现,而在典型的汽车条件下可达 5Mbps。 CAN-FD 向后兼容 CAN2.0(也称为经典 CAN)。 许多瑞萨电子 MCU 和 SOC 包含一个独特的 CAN 宏,其支持所有必需 CAN 功能并包含独特附加功能。

由于对传输速度和数据吞吐量的需求不断增加,CAN 协议再次得到增强,以支持高达 10Mbit/s 的传输速度和高达 2048 字节的有效负载。 这一增强版的 CAN 被命名为 CAN-XL,且其完全向后兼容 CAN FD。

然而,协议特性扩展的增加并不是完全向上的。 2020 年,一个专注于小型智能传感器/执行器市场的全新 CAN 相关特殊利益集团成立了。 其结果是命名为“CAN FD light”的 CAN FD “缩减”版本。如此之小的端点和子网络并不需要 CAN 功能集的完整稳健性和容错性。 CAN FD light 的目标是实现小型化、节能和经济。

瑞萨电子致力于积极支持标准化机构的所有协议开发,并会在未来的汽车产品中提供嵌入式解决方案。 向后兼容性是这种协议系列的关键,并由瑞萨电子的 CAN 实施提供支持。 即便是支持最新 CAN 标准的产品也仍然能够在经典 CAN 模式下运行。 按照标准的规定,保持向上的兼容性。

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Mixed CAN topologies
混合 CAN 拓扑

以太网

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Ethernet Product Line-up
Ethernet Product Line-up

在 2000 年初,汽车工业引入以太网,用于车载诊断 (OBD) 和音频/视频应用。 音频/视频领域的应用需要以太网端点中的高级服务质量 (QoS) 机制。 这些需求在电气与电子工程师协会 (IEEE) 制定的一套规范中定义,统称为音频视频桥接 (AVB)。 来自瑞萨电子的 AVB 以太网宏提供硬件支持和软件辅助功能,并在许多汽车 MCU 和 SOC 中实施。

以太网技术的另一项进步是开发了由单双绞线组成的全双工物理层技术,从而扩大了其在汽车环境中的应用。 这一稳健的物理层从支持 100Mbps 开始,能够满足苛刻的汽车需求。 今天,从 10Mbps 到几千兆位的传输速度均可得到支持。

就 CAN 而言,近年来的扩展并没有遵循严格的上升轨迹,人们一直在努力“填补”低吞吐量协议和现已投放市场的更快速技术之间的空白。 在以实现汽车兼容的万兆接口传输速度的开发为目标的同时,还提供了一种速度为 10Mbps 的汽车专用技术。 这些标准是由 IEEE 创建的,因为它是以太网的 803.3 物理层规范的所有者,并得到了 OPEN 联盟对汽车专用规范的支持。

借助这项技术,通过将摄像头和其他传感器、执行器以及数据处理 ECU 连接至交换式以太网,控制和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 功能得以实现。 为了实现汽车应用的低延迟和 QoS 要求,IEEE 增强了 AVB 规范集,并以 TSN(时间敏感网络)的名称发布了该规范集。 TSN 规范提供了可实现有限延迟和可靠网络的工具。 瑞萨电子拥有 TSN 端点和 TSN 交换机解决方案,可提供丰富的功能集,从而能够高效地构建这些高级以太网。

本地互联网络 (LIN)

本地互联网络 (LIN) 是一种车辆网络协议,由单个主机管理,具有较高的性价比。 其用于开关/传感器输入监控和执行器控制。 瑞萨电子为各种车身控制应用提供优化的 LIN MCU,具有多种封装、低功耗、高温运行和优异的 EMI/EMS 性能。

车载网络架构

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Network Architecture Evolution
网络架构的演化

新的通信协议、更高的带宽需求、新的应用、更复杂的通信矩阵:所有这些都会影响网络架构需求。

历史上,车载网络被组织成逻辑域,如“车身”、“底盘”和“动力传动系统”。这些域通过一个中央网关相互连接。 未来,专门用于特定域功能的 ECU 概念将继续存在,但总的趋势是按照物理位置(区域)而不是逻辑功能进行分离。 区域 ECU 通过高速网络连接至中央 ECU,在中央 ECU 完成大部分处理。 这些 ECU 面临若干挑战。 在过去,ECU 只支持 CAN 和 LIN 接口,通信速度相对较低。 在不同的 CAN 通道之间或 CAN 和 LIN 之间已经需要桥接,但是这些总线速度的范围仅为 20kbps 到 10 Mbps。 此外,这些协议还会生成事件速率和数据,可由当前的实时处理器(如 RH850)处理。 另一方面,以太网为所需的吞吐量需求增加了新的数量级。 10Gbps 的传输速度和千字节量级的数据长度是主要关注点,因为更新更快的网络仍然需要连接到低速总线,而协议转换是在后台执行的。 瑞萨电子正在借助全新 SOC 概念和 IP 组件来应对这一挑战。

为了对这些系统进行原型设计和评估,瑞萨电子开发了一种称为车载电脑的多网关评估工具包,目前已在第三代系统中提供。

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文档标题 language 类型 文档格式 文件大小 日期
应用指南 & 白皮书
Automotive Car Server/Communication Gateway Supporting New E/E Architecture 白皮书 PDF 888 KB
其他
Vehicle Computer VC3 传单 PDF 596 KB

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Automotive Software & Tools 基本页面 2020年5月5日