第三代车载网关—车载以太网网关

王娟

（重庆工程学院 404100)

1 前言

随着汽车电子迅猛发展，整车上控制器越来越多，通常汽车控制器数量在20～25之间需要有独立网关，俗称第二代网关。第二代网关通常包含5～6个子网（新能源车为例），如图1所示。

图1 第二代网关示意图

这5个子网分别为启动网、舒适网、动力网、ECM网和ESC网，启动网主要包含ECL、BCM和I-KEY网络节点，实现启动加密认证功能。舒适网包含多功能显示屏、夜视系统、抬头显示、SRS、PM2.5检测、空调控制器、PTC、多功能显示屏、TPMS、组合开关、转向盒开关和全景ECU等，实现与舒适性相关的功能。动力网包含组合仪表、BMS、车载充电器、电池加热器、模式开关、漏电传感器和电池管理器等，实现电池动力调节与输出，ECM网包含后驱动电机控制器、挡位控制器、前驱动电机控制器及DC-DC等，实现电机动力加速、减速、换挡等功能。ESC网包含SAS、EPB、R-EPS、AFS和诊断口等，实现电子驻车、自动随车转向和安全气囊功能[1]。

随着智能驾驶技术兴起，许多与辅助驾驶相关的配置应运而生，例如360环视系统、车道偏离预警系统、HUD和ACC自适应巡

航系统等。这就要求各种传感器和雷达与控制器进行实时数据交换，以前传感器和雷达采集数据主要是电压、电流及距离信号，这种信号占用信道宽度不大，对传输速率要求不高，500 bit/s就可以满足信号传输和交互的需求。ADAS系统采集信号为视频信号、位置信号以及音频信号，特别是车联网广泛应用、全液晶显示屏与中控显示屏双屏互动使用这对数据传输实时性提出更高的要求，提高传输速率呼声越来越高。

2 车载以太网技术

2.1 什么是车载以太网

车载以太网是一种用以太网连接车内控制器的车载网技术，与使用4对非屏蔽双绞线（UTP）电缆的民用以太网有所不同。车载以太网使用对非屏蔽双绞线数据传输速率可达到100 Mbit/s甚至1 Gbit/s的，满足采用L2～L3级自动驾驶汽车对信号，特别是视频或音频信号传输的高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。

车载以太网的物理层采用了博通公司的BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层（PHY）技术已经由单线对以太网联盟（One-pair Ethernet Alliance，OPEN）标准化。 车载以太网的MAC层采用IEEE 802.3的接口标准，与传统以太网类似，支持高层网络协议（如TCP/IP）。

2.2 车载以太网主要标准

车载以太网与传统汽车总线类似，遵循一定通讯协议与规范，车载以太网通讯规范包括以下几个方面：物理层设计规范；物理层测试规范；诊断通讯协议规范。其中在视频与音频传输协议采用AVB协议集，具体情况如下。

（1）精准时间同步协议（Precision Time Protocol ，简称PTP）——IEEE 802.1AS。

（2）流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）——IEEE802.1Qat。

（3）队列及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称 Qav）——IEEE 802.1Qav。

（4）音视频桥接系统（Audio/Video Bridging Systems）——IEEE 802.1BA。包括：①IEEE 1722-2011，桥接局域网中的时间敏感应用第二层传输协议标准。②IEEE 1733-2011，桥接局域网中的时间敏感应用第三层传输协议标准[2]。

2.3 车载以太网网关技术路线

目前绝大多数主机厂车载以太网网关的方案，是在第二代独立网关基础，把与信息交互要求较高的子网换成以太网，这样既可以节省开发时间与周期，又可以降低电气架构总成本，更重要的是降低开发难度和测试难度。其主要技术路线如下：需要高实时性、高交互性控制器，例如HU、360全景系统、组合仪表（全液晶）、行车记录仪、后排娱乐系统及诊断系统，采用速率为100 M以太网通过网关进行信息交换，车内网仍有些控制器对信息交互速率要求不高，可继续采用500 bit/s总线方式进行信息交互，采用哪种方式进行信息交互，取决于要实现的功能[3]。诊断系统由于要实现控制器系统更新、诊断，特别是中控显示屏的APP更新，地图菜单所占数据量巨大，通常8 Gb左右，若仍采用总线通讯方式，仅地图更新要耗时近5个小时，显然不能满足用户的需求。所以诊断系统也需要采用以太网进行信息传输与交互（图2）。

图2 利用以太网进行系统信息传输

相比第二代网关，车载以太网测试项目与难度陡增，传统手工测试已经不满足需要，所以基于车载以太网自动化测试设备就成为必备的工具。测试主要分为单体测试和系统集成测试，测试所包含具体内容如下（图3）。

图3 车载以太网测试表

物理层测试，主要测试转发器输出电压、转发器输出频率、转发器峰值电压、差分电压、转发器失真性、转发器抗干扰、转发器时钟频率和MDI输出抖动。

数据链路层测试，根据通讯协议所采用的标准（802.3、EthernetⅡ、802.1Q、802.1ad、802.1ah、1722）所对应测试规范（OPEN ALLIANCE TC8 Member），完成相关数据链路层的测试。

协议层测试，协议层按照主机厂所采用协议IPV4或者IPV6，网络层UDP或TCP所对应测试规范（OPEN ALLIANCE TC8 Member），完成相关测试[4]。

系统集成测试，与传统汽车总线开发类似，控制器完成单体测试后，还要根据系统功能完成系统集成测试，观察汽车控制器在不同工况下，评估信息传输的实时性、准确性及冗余性。首先在实验室里面搭建功能台架，通常用一台自动化测试设备给不同控制器发触发信号，观察记录控制器动作，自动判断控制器动作是否符合设计规范，台架测试合格后，基本上解决绝大多数可能出现问题。最终将各个控制器装车后，在不同工况下（高速、低速、颠簸路、城市路况等）打开电气各项功能，观察信号传输状态，杜绝一切因设计缺陷所引起的电气故障。

3 结束语

汽车以太网发展已近步入快车道，其本质上与总线有着天壤之别，这一区别必将导致新一轮汽车控制器升级换代，目前采用以太网控制器软、硬件成本偏高，但随着芯片用量大幅攀升，必将导致硬件成本降低，最终将与目前使用总线通讯控制器成本持平。