以太环网架构的发展趋势及其在智能网联汽车中的应用

李林泽　石如泉　徐嫚　谢佶宏　邵杰

摘 要：随着智能网联汽车的快速发展，汽车已经不再是一种简单的代步工具，更是一个充满个性、体验和场景的生态主体，许多丰富多彩的新功能被引入到了汽车当中。大量功能的增加使得智能网联汽车的电子器件越来越多，网络架构变得十分复杂，传统的CAN网络已无法满足现今快速发展的智能网联需求。为此，本文提出了一种基于以太网的环网架构，该架构具有强大的计算能力、拓展能力以及开放性等优势，能够与外部设备进行灵活交互、快速数据传输以及OTA软件升级，完全弥补了传统CAN网络的不足，适应了智能网联汽车的发展需求。

关键词：汽车 环以太网 架构 应用

The Development Trend of Ethernet Ring Network Architecture and its Application in Intelligent Connected Vehicles

Li Linze Shi Ruquan Xu Man Xie Jihong Shao Jie

Abstract：With the rapid development of intelligent connected vehicles， cars are no longer a simple tool for transportation， but an ecological subject full of personality， experience and scenes. Many colorful new functions have been introduced into cars. With the increase of a large number of functions， there are more and more electronic devices of intelligent networked vehicles， and the network architecture becomes very complex. The traditional CAN network CAN no longer meet the needs of the rapid development of intelligent networked vehicles. To this end， the paper puts forward a network architecture， which has the powerful computation ability and expanding ability and advantages of the openness， and can flexibly interact with external devices， transmit data quickly， upgrade OTA software， and fully make up for the deficiency of the traditional CAN network， so as to meet the needs of the development of the intelligent made cars.

Key words：car， ring ethernet， architecture， application

1 引言

隨着智能网联汽车科技的不断进步，我们经常可以看到与汽车相关的如下的场景：1）汽车被摆放在展厅上，车灯呈现个性化地闪灭;2）汽车与机器人在舞台上共舞，十分具有科技感;3）一些改装车的的转向灯改装成跑马灯的形式，显得更加美观。在很多场景中，汽车已经不只是一个简单的代步工具，而更是身份的象征，是用于炫耀、展示的艺术载体。

为了满足以上丰富多彩的场景需求，汽车需要与更多的外部设备互联，汽车的设计理念因此也需要从传统的单单关注性能提升转型为更多的功能拓展和跨界融合。新型的智能网联汽车需要具备更为强大的计算存储和通信能力，给外部预留足够的硬件接口，软件也需要满足可移植、可迭代、可拓展的技术特征，整个系统做到完全开放。

智能网联汽车不断增加的电子电气功能，带来的问题是ECU越来越多，一些先行的企业已经开始从分散控制向集中控制转变，域控制器逐渐成为了汽车发展的一种趋势。基于这种趋势，车载的智能计算基础平台受到了国内外相关企业和研究机构的高度关注，成为未来产业竞争的新焦点。所谓车载智能计算基础平台，就是集成异构分布的硬件平台以及智能驾驶操作系统为一体的系统，它是智能驾驶领域的核心[1]。

目前，国内许汽车产业相关的企业都纷纷参与到了域控制器的研发热潮中，在此背景之下，本文研发了一款新型计算与通信汽车网络架构，简称环以太网架构。在此网络架构中，整车集成单元作为域控制器，它的计算存储和通信等能力完全满足上述所提要求。

2 环以太网架构简介

2.1 域控制器

环以太网架构是基于域控制器构建的，所谓域控制器，其实是主机厂将ECU化繁为简之后的衍生物。以往ECU（电子控制单元）广泛存在于车辆的发动机、变速箱等底层零部件之中，汽车的每一个功能都需要单一或者多个ECU模块进行控制，以此实现整车信息的转化和处理。由此，这些遍布车身的ECU组成的架构就叫分布式电子电气架构。ECU越多，意味着车辆的电子功能越丰富，但随之而来的是分散的ECU模块容易导致车辆线束布置复杂，车身越来越重，从而导致整车成本高昂;另一方面，由于涉及的供应商众多，ECU模块的软件开发始终无法同步，后续更新也难以为继，遑论当下热议的OTA升级了。在汽车智能化时代，车辆需要有不断进化的能力，这种分布式电子电气架构显然满足不了整车数字化转型的需求。2012年特斯拉Model S诞生意味着车上安装数十上百个ECU的时代即将过去，ECU的减法时代到来。此后，传统ECU模块开始软硬件分离，硬件被逐步取消，软件被集中到一起，通过单个计算平台来实现对多个功能的控制。

整车集成单元作为域控制器，每个功能域设置一个整车集成单元，整车集成单元之间通过以太骨干网进行连接构成环以太网型式的架构。其它子控制器可选择采用CAN总线、LIN总线、以太网连接对应的域控制器，如图1所示。

2.2 以太骨干网

智能网联汽车域控制器之间通信的数据量可达到几十甚至上百兆，传统的CAN总线带宽不足，无法满足如此庞大的数据量传输。此外，智能网联汽车各零件软件更新迭代的频率很高，尤其是智能驾驶域控制器及其子控制器，因此智能网联汽车的软件更新通常是以OTA（空中下载技术）的方式来实现的。根据功能不同，一个软件升级包的大小在几十兆比特到几吉比特之间，而传统CAN网络实际最高的传输速率仅能达到500K左右，如此一来，一个几吉比特的软甲升级包在升级时会消耗掉几个小时甚至更久的时间，这是极不实际的。综上所诉，采用速率可达1G/10Gbsp、支持二层交换、又有良好的安全可靠性的以太网替代传统CAN作为骨干网络是智能网联汽车的必然选择。

2.3 整车集成单元

整车集成单元的作用是收编传统ECU功能、电源集中管理（1A～40A）、IO集成（PWM/ADC/H桥/DI/DO）以及通信集成（ETH/CAN/LIN）。整车集成单元软硬件可按需灵活部署，支持OTA升级。如图1所示，环以太网架构中包含了3个整车集成单元，其中整车集成单元2中集成了MPU的功能。

2.3.1 整车集成单元硬件接口

除ECU外，整车集成单元还连接了大部分的车内设备，例如通过一路以太网连接车载路由器。同时，整车集成单元硬件预留大量的IO口及多种目前主流的通信接口，且都为标准化接口。目前整车集成单元硬件接口主要包含如下3类：1）智能电源接口，包括1A、3A、10A、20A、30A、40A的常规接口，以及H桥和传感器接口等;2）I/O接口，包括数字量输入、模拟量输入、LSD/PWM接口;3）网络通信接口，包括以太网、CAN、CANFD以及LIN等。在满足整车需求的情况下，整车集成单元还可以外接外部设备。

2.3.2 整车集成单元软件部署

整车集成单元通常采用分布式的软件部署方式，以达到业务功能冗余、提升整车可靠性、开放能力（整车级资源抽象与开放API）的目的。软件部署具体如下：

整车集成单元0：整车控制器算法（上下电控制/充电控制/换挡/扭矩管理/驾驶模式等）;

整车集成单元1：車身控制器算法（中控锁/远近光灯/转向灯/雨刮/车窗控制/电源模式管理等）;

整车集成单元2：其中MPU：360/APA算法，MCU：IO接入。

3 环以太网架构系统控制外部设备的原理

基于环以太网架构的完全开放性，硬件接口的多样性，此架构不仅能连接大多数车内模块，还可以直连外部设备，所以可以有多种与外部设备互联的方法，下面介绍其中一种。

整车集成单元连接的车辆设备中包含了车辆中大部分的无线通讯模块，如车载路由器。通过车载路由器，外部设备可以接入整车以太网络，外部设备只需要按照TCP/IP协议向车辆发送UDP报文就可以达到控制车身的效果。外部设备接入整车的方式如图2所示：

以机器人作为外部设备的代表介绍图2的控制原理。可编程机器人通过车载WIFI连接车辆无线网接入整车以太网络，按照TCP/IP协议向车辆发送UDP以太网报文以达到控制车辆部分零件（上锁、解锁、开关灯等）。只要事先编好程序，让机器人在进行不同动作时向车辆发送对应的以太网报文指令，在控制机器人完成指定动作时，车辆就会做出相应的操作，从而达到车辆与机器人的协同控制，再丰富机器人动作程序，即可实现机器人与车辆共舞的场景。

4 结束语

多样化的车辆使用场景使汽车的定义变得模糊，无论是单纯地为了应付目前特殊的使用场景还是做到未来的万物互联，汽车将从一个简单的交通工具演变成一个生态主体。依赖于软件的开放性、硬件接口冗余设计及标准化、以及整车集成单元的强大计算能力等，环以太网架构为智能网联汽车的生态主体提供了可能。目前，在整车网络架构向中央式演进的过程中，环以太网网络架构还刚刚处于萌芽阶段，未来的架构将会更加智能化与多样化。

基金项目：广西创新驱动发展专项资助项目（桂科AA18242039）;柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2018AD10501）

参考文献：

[1]苗圩：对电动化、智能化、网联化发展提出三点建议，智能电动车测评，2021.

[2]整车电控系统及架构设计技术，一览众车，2021.

[3]软件定义汽车，E-E架构是关键，一览众车，2020.

[4]域控制器时代：ECU 的「消亡」与汽车「中央大脑」的重建，无人车情报局，2021.