汽車工業(yè)的發(fā)展反映在現(xiàn)代汽車所提供的功能和服務(wù)的擴(kuò)展上。為了使所有這些功能得到執(zhí)行，也有必要增加車輛內(nèi)的物理組件的數(shù)量。隨著整個系統(tǒng)的發(fā)展，連接系統(tǒng)內(nèi)各實體的問題也隨之而來。系統(tǒng)的有效簡化是通過引入域控制器來實現(xiàn)的，并根據(jù)它們所執(zhí)行的功能來分離物理組件，同時在域控制器之間建立骨干通信網(wǎng)絡(luò)。在自動駕駛發(fā)展的推動下，對時間的要求和其他性能的要求，要求在這個通信網(wǎng)絡(luò)主干上使用新的標(biāo)準(zhǔn)和解決方案。這些解決方案之一是汽車以太網(wǎng)。在本文中，將介紹和評估自主車輛的域控制器的以太網(wǎng)子系統(tǒng)的實現(xiàn)。

I.簡介

多年來，在實現(xiàn)自動駕駛的嘗試推動下，硬件和軟件技術(shù)取得的進(jìn)步，為汽車行業(yè)樹立了新的全球趨勢。自主駕駛的基礎(chǔ)是實現(xiàn)對環(huán)境的高質(zhì)量感知，處理觀察到的環(huán)境的算法，計算機(jī)動性，即計劃必要的行動和執(zhí)行最佳操作。為了使這些和許多其他的算法、功能和不同重要程度的服務(wù)（導(dǎo)航、系統(tǒng)安全和穩(wěn)定性控制等）得到成功實施，有必要在車輛系統(tǒng)中引入許多傳感器、傳感器數(shù)據(jù)處理單元以及執(zhí)行器。為了達(dá)到更安全、更舒適和更高效的駕駛的最終目標(biāo)，系統(tǒng)組件之間的數(shù)據(jù)交換以及汽車內(nèi)部傳輸所需的電線的增加是顯而易見的。這導(dǎo)致了控制不同服務(wù)的ECU數(shù)量的大幅增加，因此，以快速和可靠的數(shù)據(jù)交換為目的的聯(lián)網(wǎng)是至關(guān)重要的。被稱為域控制器的高性能組件是一種解決方案，用于以特定領(lǐng)域的方式對系統(tǒng)進(jìn)行重新排序，并將其中的不同單元相互連接。

到目前為止，一些總線，如LIN、CAN、FlexRay、MOST等，在車輛內(nèi)部ECU的聯(lián)網(wǎng)和通信方面發(fā)揮了主要作用，并實際占主導(dǎo)地位。

由于沒有對每個使用情況最合適的終極總線，所以應(yīng)該使用哪種總線是由給定的要求決定的。然而，這種異質(zhì)性使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，研究人員投入了大量精力來創(chuàng)建一個可靠的解決方案，將所有這些技術(shù)放在一起，并代表每輛車的通信骨干。最近提出的方法之一是以太網(wǎng)。最初，它只用于診斷，因為它不符合工業(yè)的要求。也就是說，它有太多的噪音，由于布線的原因，實施起來很費(fèi)勁，而且它不提供同步性 和確定性。然而，這種情況隨著汽車以太網(wǎng)的發(fā)展

而改變。

本文將介紹以太網(wǎng)子系統(tǒng)作為車輛內(nèi)通信主干的實現(xiàn)。該子系統(tǒng)是自主駕駛領(lǐng)域控制器的一部分，它是基于菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。它由三個連續(xù)連接的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及其外圍設(shè)備組成。在第二節(jié)中，提出了滿足汽車工業(yè)要求的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。第三節(jié)將對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流進(jìn)行描述。第四節(jié)和第五節(jié)包含評估、結(jié)果討論、結(jié)論和未來工作建議。

II.相關(guān)工作

以太網(wǎng)是最廣泛的通信技術(shù)，由各種標(biāo)準(zhǔn)集定義，為各種使用情況進(jìn)行優(yōu)化。它也涵蓋了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項。為了作為車輛內(nèi)適當(dāng)?shù)耐ㄐ胖鞲?，以太網(wǎng)必須滿足汽車行業(yè)的特定要求。這些要求可以分為兩組--硬件功能要求和與數(shù)據(jù)流有關(guān)的要求，分別如表一和表二所示。

由于其可擴(kuò)展性、靈活性、可用性和與其他通信技術(shù)的兼容性，以太網(wǎng)已被改編并作為新一代的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)引入到車輛?？焖僖蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)100Base-TX和1000Base-T有足夠的帶寬（100/1000 Mbps），但沒有合適的物理規(guī)格。兩對或四對電線是一個非常昂貴的解決方案，因為電線是任何汽車中第三大最昂貴和第三大重量元素。較高的帶寬頻率、不必要的長距離和對不良外部條件的抵抗力也不是汽車工業(yè)的有利特征。

2011年12月，BroadR-Reach被開發(fā)為汽車以太網(wǎng)的特殊標(biāo)準(zhǔn)時，開放聯(lián)盟社區(qū)優(yōu)化了上述物理特性。

表一 以太網(wǎng)硬件特性要求

表二 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流要求

然而，關(guān)于實時以太網(wǎng)協(xié)議的利用，仍有一些公開的討論，在時間觸發(fā)以太網(wǎng)和時間敏感網(wǎng)絡(luò)之間沒有明確的選擇，以提供確定性、同步性和可靠性。

就以太網(wǎng)在車輛中的使用方式而言，不同的作者考慮了幾種通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于ECU數(shù)量的增加和它們的集成問題，分散的、網(wǎng)狀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實際上是不可能的。一些作者專注于集中式系統(tǒng)，但仍然假設(shè)存在一個可以由ECU內(nèi)部處理的單一信息源。

在本文中，通信網(wǎng)絡(luò)將以領(lǐng)域控制的分層方式組織，其中以太網(wǎng)代表不同領(lǐng)域之間的主干和互連。單一領(lǐng)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是本文的重點，應(yīng)該根據(jù)特定的使用情況和需要連接的外圍設(shè)備的數(shù)量來設(shè)計。

III.解決方法

A.域控制器

圖1說明了提供驅(qū)動輔助和控制服務(wù)的域控制器的通用架構(gòu)。如前所述，系統(tǒng)組件是根據(jù)它們所執(zhí)行的功能來分組的。例如，不同的外圍傳感器允許環(huán)境感知被連接。此外，用于處理獲得的數(shù)據(jù)的設(shè)備，以及具有通用和汽車安全關(guān)鍵功能的必要微控制器被分組。

圖1. 域控制器架構(gòu)抽象

汽車微控制器通常是具有安全和安?？刂乒δ艿脑O(shè)備，專門用于汽車行業(yè)，如Infenion Aurix、Renesas RH850，等等。另一方面，FPGA通常被用作通用微控制器，而數(shù)據(jù)處理則由某些Nvidia設(shè)備、瑞薩R-car H3等執(zhí)行。采用CAN和FlexRay接口作為與發(fā)動機(jī)、剎車等動力系統(tǒng)域的通信接口。汽車以太網(wǎng)是通信的主干，它將所有設(shè)備連接成一個功能單元。

為了滿足本項目表一的物理特性要求，決定對每個組件使用IEEE的100和1000 Base-T1以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。和前面提到的BroadR-Reach一樣，這些標(biāo)準(zhǔn)只使用一對電線來提供全雙工通信。帶寬頻率減半至33.3MHz，這允許利用較低質(zhì)量的電纜，同時將不必要的長電纜長度從100米減少到15米。通過降低待機(jī)功耗也實現(xiàn)了能源效率。也啟用了回聲消除和極端天氣條件下的阻力。IEEE的標(biāo)準(zhǔn)與Broadcom在2011年提供的標(biāo)準(zhǔn)幾乎相同。唯一的區(qū)別是，在IEEE的標(biāo)準(zhǔn)中，喚醒指令期更短，并且明確規(guī)定了傳輸峰值振幅的測試。

B.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和集成

由于現(xiàn)代車輛需要結(jié)合來自多個傳感器（通常需要至少4個攝像頭輸入、激光雷達(dá)、雷達(dá)等）、處理設(shè)備和微控制器的數(shù)據(jù)，通常需要多個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。在本文中，我們提供了利用三個汽車以太網(wǎng)交換機(jī)的解決方案。交換機(jī)以線性菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連接，這是一種成本效益高、實施簡單的結(jié)構(gòu)。如果節(jié)點的數(shù)量小于4個，就只能使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)節(jié)點數(shù)達(dá)到4個時，菊花鏈應(yīng)被環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所取代。

外圍設(shè)備以星形拓?fù)浞绞街苯舆B接到每個交換機(jī)，因此中心設(shè)備是一個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。這就是整個以太網(wǎng)子系統(tǒng)的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實際創(chuàng)建過程，其中三個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為關(guān)鍵元素連接在一個線性的菊花鏈結(jié)構(gòu)中，在每個交換機(jī)上，設(shè)備通過使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)行連接。

圖2. 以太網(wǎng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖2中，顯示了以太網(wǎng)子系統(tǒng)的確切結(jié)構(gòu)。來自網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的MAC芯片通過RGMII/SGMII媒體獨立接口連接到物理收發(fā)器（PHY）。一些交換機(jī)端口不支持所需類型的MII是一種常見的情況，因此在這種情況下，某些收發(fā)器被用作適當(dāng)?shù)拿襟w轉(zhuǎn)換器。這種情況涵蓋了五個端口，以測量系統(tǒng)中引入的潛在限制（延遲、帶寬等）。

在圖2中，轉(zhuǎn)換器在交換機(jī)和PHY之間的路徑上以圓圈表示。傳感器將通過物理收發(fā)器與開關(guān)相連，但其中一個PHY將被保留用于與PC的通信，以便進(jìn)行診斷和控制。高性能的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和微控制器具有MAC-to-MAC通信。

為了使組件成功地集成到所述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有必要根據(jù)制造商的說明將某些端口設(shè)置為工作模式：

-對于每個端口，應(yīng)指出該端口是將MAC從網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接到PHY還是連接到另一個MAC。

--對于MAC-to-MAC通信的端口，有必要手動設(shè)置端口速度。另一方面，如果交換機(jī)的端口與PHY相連，則由收發(fā)器來決定速度。

-為啟用該選項的端口設(shè)置適當(dāng)?shù)腗II類型

-在連接交換機(jī)和外部CPU的端口上，應(yīng)啟用遠(yuǎn)程管理單元（RMU）。這允許通過使用外部處理器或微控制器來修改配置。

系統(tǒng)集成后，必須驗證其功能。為了測試流量是否通過系統(tǒng)的所有端口正常轉(zhuǎn)發(fā)，使用了一臺外部PC。在與汽車微控制器或數(shù)據(jù)處理設(shè)備的通信中，PC有必要在每個外部端口上正確接收和發(fā)送幀。

同時，當(dāng)PC機(jī)連接到每個端口時，應(yīng)從開關(guān)中讀取地址表，每次都是如此。通過讀取該表，可以確認(rèn)MAC地址的學(xué)習(xí)是正確進(jìn)行的。

C.數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)流分析應(yīng)該解決的問題之一是設(shè)備的分組方式。這將防止由于路徑的長度或流量優(yōu)先級而違反某些要求。在本文描述的例子中，重要的是要確定這樣的結(jié)構(gòu)及其元素的安排是否影響所需功能的實現(xiàn)和傳感器所能容忍的延遲。為了涵蓋所有情況，選擇了特征路徑進(jìn)行測試。研究了單個交換機(jī)內(nèi)部、相鄰交換機(jī)之間和非相鄰網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間的通信情況。對于每個場景，考慮三種情況：如果路徑上沒有媒體轉(zhuǎn)換器，如果路徑上只有一個媒體轉(zhuǎn)換器，如果有兩個媒體轉(zhuǎn)換器。這樣，9條路由就足以通過測量每條路由的延遲和帶寬來分析設(shè)備調(diào)度對系統(tǒng)的影響。

本文還提供了一個通過使用VLAN組來實現(xiàn)流量優(yōu)先的解決方案。在這個項目中，所有的端口都被配置為ID為7和11的VLAN成員，并有選項允許未標(biāo)記的幀不被修改被傳輸。創(chuàng)建了三個流量優(yōu)先級，0--用于無標(biāo)記的流量，1--用于VID=11，7--用于VID=7。首先，發(fā)送帶有VLAN標(biāo)簽的幀，這些幀與配置相對應(yīng)，預(yù)計將在系統(tǒng)中順利傳輸。然后，創(chuàng)建了不符合配置的帶有錯誤VLAN標(biāo)簽的幀。錯誤標(biāo)記的幀預(yù)計會被802.1Q策略過濾。此外，在測試的兩部分中都進(jìn)行了讀取傳輸幀的優(yōu)先級并將其與預(yù)期的優(yōu)先級進(jìn)行比較。

IV.評估

評估的第一步是表明表一中的所有物理標(biāo)準(zhǔn)都已得到滿足。通過使用支持前幾章所述汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這一點很容易實現(xiàn)。這樣一來，表一中的要求將得到滿足，如表三所示。

表三 實現(xiàn)的物理規(guī)格

為了測試表二中的基本功能，外部PC與所有帶有物理收發(fā)器的端口連接，一次一個。對于每個方案，在兩個方向（PC到微控制器，反之亦然）發(fā)送了10 000個長度為512個八位字節(jié)的幀。為了確認(rèn)通過系統(tǒng)進(jìn)行正確的流量轉(zhuǎn)發(fā)，在幀傳輸前后觀察了三種類型的幀計數(shù)器的值：接收到的所有好的幀的長度之和（InGoodOctets），接收到的所有壞的幀的長度之和（InBadOctets）和發(fā)送的所有幀的長度之和（OutOctets）。圖3顯示了一個場景示例，其中可以看到幀計數(shù)器的值是如何根據(jù)參與幀傳輸?shù)亩丝谏系牧髁糠较蛘_地改變的，而其他端口的計數(shù)器保持不變。此外，還確認(rèn)了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)維護(hù)的所有地址表都包含相關(guān)的MAC地址和相應(yīng)的端口。

圖3. 基本幀轉(zhuǎn)發(fā)評估示例

為了檢查表二中的延遲和帶寬要求是否得到滿足，對解決方案中提到的9條路徑進(jìn)行了端到端的延遲和帶寬測量。為此，使用了pcap和iperf3。表四提供了每個路徑的測量值。

表四 受檢路徑的延遲和帶寬測量值

從結(jié)果可以得出結(jié)論，無論設(shè)備以何種方式排列，該系統(tǒng)都能滿足帶寬要求。但是，如果兩個非相鄰的交換機(jī)通過一條包含媒體轉(zhuǎn)換器的路徑連接，可能無法滿足延遲要求（延遲《250us），所以在這種情況下應(yīng)格外注意。

為了評估VLAN配置和流量優(yōu)先級，進(jìn)行了類似于基本功能測試的試驗。這一次，20000個長度為516個八位字節(jié)（插入4字節(jié)的802.1Q頭）的幀被雙向傳輸，其中一半是正確的VLAN ID值，一半是錯誤的。觀察到兩個額外的幀計數(shù)器類型：通過過濾策略的幀數(shù)（InAccepted）和沒有通過過濾的幀數(shù)（InFiltered）。從圖4可以看出，在參與幀傳輸?shù)亩丝谏?，幀計?shù)器的值是如何根據(jù)流量方向正確改變的，而在其他端口上則保持不變。

圖4. VLAN幀轉(zhuǎn)發(fā)評估示例

同時，對于接收方的每個場景，通過使用Wireshark對每個幀的優(yōu)先級進(jìn)行控制。

V.總結(jié)

介紹了自動駕駛汽車域控制器以太網(wǎng)子系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。本文清楚地提供了以太網(wǎng)履行其通信骨干角色所需要滿足的需求的概述。對由三個菊花鏈汽車以太網(wǎng)交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)進(jìn)行了評估，重點是延遲和帶寬問題。公開了從選擇設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到滿足數(shù)據(jù)流要求的整個過程。所有的基本功能都得到了實現(xiàn)和測試，并揭示了確切的限制。

在未來的工作中，將給出實時以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)和向系統(tǒng)引入確定性的過程。

審核編輯：郭婷