数字接口正推动汽车产业的数据应用发展
发布时间：2023-7-24 15:04
发布者：eechina
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来源：AVNET 软件定义式汽车正迅速成为现实，工程师持续探索车用网络的急剧崛起及其发展趋势，以满足汽车产业的需求。 过去 40 年来，汽车的设计发生了惊人的巨变。从一开始的动力转向和防死锁煞车等机械方面的强化，到后面电子控制和仪表的进化。 现代汽车或许仍遵照着汽车发明人 Henry Ford 的设计原意，只是运作方式已然截然不同。现代汽车成了互连电子系统的平台，且随着电池电动车和全自动驾驶功能的成长，带动这股趋势持续加速。 自 70 年代中期以来，电子控制单元 (ECU) 一直是非常重要的车辆功能，作用是让引擎燃油的喷射和正时达到优化管理，后来电子系统融入到更多车辆功能之中，从变速箱到舒适控制，从悬吊到循迹防滑控制。于是，ECU 的数量大幅增加。最初，每个 ECU 只执行单一功能，很少或根本不会互动。 当部分车款中的 ECU 数量达到 150 个以上时，汽车产业就开始在接下来的二十年里将这些整合到车身与传动系统等领域。传感器的使用数量和不同功能之间的互动的增加，指出了改善车内网络的需求。 车内网络不断进化，以管理日益增加的电子功能。 车内网络的进化 ECU、传感器和致动器之间在业界中已有标准连接方式。90 年代中期，汽车工程师协会 (SAE) 便制定了 ECU 互连的 J1939 规格。此标准导入了讯息式的控制器局域网络 (CAN) 通讯协议，几十年来一直使用在高速车用网络上。搭配 CAN 的其他传统式低速序列总线和多点网络协议 (例如 FlexRay、媒体导向系统传输 (MOST) 和区域互连网络 (LIN)) 成为了关注的焦点，而汽车 E/E (电气/电子) 架构工程师仍在不断努力，以满足高速网络的需求。 CAN 一开始推出时，最大数据传输速率仅 150 kb/s。后来经过不断改善，推出了 10 Mb/s CAN-FD (弹性数据率) 通讯协议。最近通过核准的 CAN XL 通讯协议更将带宽扩展至 20 Mb/s。 即使数据传输速率已经加倍，先进驾驶辅助系统等技术仍需要更高的速度。在安全性和保全功能方面，视觉型传感器、前置毫米波雷达和 LiDAR 变得非常受欢迎。热门的有像是车道偏离警告、紧急煞车和适应性巡航控制，它们都需要超高可靠度、高带宽、低延迟的网络，以维持高效率的运作。 以太网络为最主要的 IP 型企业网络协议，已受到汽车应用的采用。以太网络和汽车以太网络 (100Base-T1、1000Base-T1 和 10Base-T1S – 10 Mb/s 至 1 Gb/s) 之间本质上的差异在于物理层，其优点是单屏蔽或无屏蔽双绞线的成本更低、更轻巧、重量更轻。这种以太网络方法称为单对以太网络 (SPE)，这是一种实体媒体接口，在工业自动化等其他市场领域也快速获得采用。 但电子系统越多，仍然需要更多的铜线。要互连 ECU、传感器、致动器和信息娱乐的人机接口，需要靠重型织机，这为汽车 E/E 业界的高阶主管带来了挑战。 缆线和系统的额外重量是一项重大挑战，尤其是对电池电动车来说，重量决定了行驶里程。线束越来越重、体积不断增加，设计和安装也越来越复杂。因此，汽车工程师必须要将平台从领域型方法改成区域架构。 从以领域为中心的方法到完全的区域型架构 随着对互连系统的相互依赖性日益提升，一车一服务器或网关的形式越来越受青睐。因此，软件定义式汽车正迅速成为现实。 领域布线方法使用高成本、冗长且笨重的线束，区域系统则使用备援以太网络骨干来服务每个区域，同时连接所有主要车辆功能。 
Engineers are removing chaotic domain wiring and replacing it with a central server and a zonal architecture. (Source: NXP) 将多个 ECU 功能聚合到中央服务器，并将特定的边缘任务 (车窗控制等) 卸除或委派至区域控制器 (全部与汽车以太网络骨干连接)，除了减轻重量，也能降低复杂性。透过这种方法，还能将部分汽车功能转换成软件服务，往全自动驾驶车所要求的目标，实现软件定义汽车迈进。 除了汽车以太网络的物理层优势，此通讯协议还导入了一些最初针对工业应用所开发的理想功能和最新强化。其中值得注意的是时间敏感网络 (TSN)，其提供了确定性网络行为，这对安全关键功能来说至关重要。 毫无疑问，以太网络终将取代 CAN。但目前来说，汽车产业仍会继续部署 CAN 和其他速度较慢的网络。毕竟 CAN 还是适合众多应用，而以太网络至今仍成本太高，且过于复杂，难以取代 CAN。 除了以太网络协议在车用网络中崛起，对高速应用专属接口通讯协议的需求也为新标准带来了机会。其中一例便是行动工业处理器接口 (MIPI) A-PHY，这是一种非对称的点对点或菊链界面通讯协议，用一根无屏蔽双绞线 (UTP) 缆线便能提供高达 16 Gb/s 的超高速单向数据链路和供电。MIPI A-PHY 是唯一原生支持 MIPI CSI-2 摄影机和 DSI-2 显示接口的汽车接口，非常适合进阶驾驶辅助系统和信息娱乐应用。 车内网络加速崛起 过去 40 年来，车辆技术取得长足的进步。时尚、直觉化且信息丰富的触摸屏已经取代了模拟仪表板和开关。此外，现代车辆也变得更加安全，加入了紧急制动和盲点侦测等 ADAS 功能。 因为汽车会产生大量数据，常被形容成加上轮子的数据中心。汽车也跟任何数据中心一样，都要靠稳定且强大的网络才能安全可靠地运作。 |
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