簡介

汽車制造商正積極推動車載高速以太網(wǎng)主干的發(fā)展，采用新興技術(shù)趨勢，例如以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)以實現(xiàn)冗余，以及時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 和音頻視頻橋接 (AVB)，進(jìn)而可靠地傳輸時間敏感型數(shù)據(jù)。

該行業(yè)正面臨對更高帶寬與更快速通信網(wǎng)絡(luò)的迫切需求，以便在整車范圍內(nèi)傳輸安全關(guān)鍵型和時間敏感型數(shù)據(jù)。在下一代區(qū)域架構(gòu)中，他們正研究以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)，以實現(xiàn)冗余設(shè)計。同時，他們也在嘗試將更多類型的數(shù)據(jù)（包括音頻）整合至以太網(wǎng)主干中，以減少線束。

區(qū)域架構(gòu)通過區(qū)域控制模塊 (ZCM)，將來自各類傳感器與電子控制單元 (ECU) 的數(shù)據(jù)，傳輸至邊緣節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)。隨后，如圖 1 所示，這些 ZCM 會通過主干通信，將匯總后的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至中央計算單元 (CCU)。

圖 1 適用于區(qū)域架構(gòu)的車載網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)是在現(xiàn)有的高帶寬以太網(wǎng)主干基礎(chǔ)上構(gòu)建的，通過讓每個節(jié)點同時與兩個相鄰節(jié)點相連，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)冗余。由于數(shù)據(jù)可以在順時針與逆時針兩個方向同時傳輸，即使某一條以太網(wǎng)鏈路發(fā)生中斷，CCU 仍能與 ZCM 保持通信。

隨著車載網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，主干以太網(wǎng)可傳輸更多類型的數(shù)據(jù)，例如音頻、雷達(dá)和攝像頭數(shù)據(jù)。在汽車制造商逐步過渡到區(qū)域架構(gòu)的早期階段，他們主要將車身功能整合進(jìn)各個區(qū)域模塊中。但理想的區(qū)域架構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠支持跨域應(yīng)用。音頻是主要目標(biāo)，這是因為 AVB 標(biāo)準(zhǔn)能夠為音頻數(shù)據(jù)提供確定性的延遲。將音頻播放功能移入 ZCM 后，由于音頻數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)傳輸，因此可以無需單獨(dú)的通信總線。

啟用實時控制和時間敏感型數(shù)據(jù)

TSN 可確保通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中時間敏感型數(shù)據(jù)的同步。在車載網(wǎng)絡(luò)中增加時間敏感型數(shù)據(jù)并啟用實時控制，會提升系統(tǒng)對 CCU 與各區(qū)域間高速通信鏈路可靠性的要求。因此，以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)提供的冗余支持對 TSN 應(yīng)用（包括以太網(wǎng) AVB）非常有利；但需要注意的是，環(huán)形架構(gòu)并非 TSN 的必需條件，反之亦然。

定義 TSN 的幾項協(xié)議包括：

· 電氣電子工程師學(xué)會 (IEEE) 802.1AS — 通用精確時間協(xié)議 (gPTP)，提供具有確定性延時、低數(shù)據(jù)包延遲差異和低數(shù)據(jù)包丟失的數(shù)據(jù)同步功能。

· IEEE 802.1Qbv — 流量調(diào)度增強(qiáng)。

· IEEE 802.1Qav — 支持 AVB。

雖然以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)并非必須使用 TSN，但 TSN 有助于保證低確定性延時。IEEE 802.1AS 定義了一種數(shù)據(jù)同步方法，精度可達(dá)毫秒到納秒級。這種精度水平對以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)有益，可在數(shù)據(jù)包處理與傳輸過程中，通過應(yīng)用調(diào)整和時序補(bǔ)償來抵消偏移延時。此外，IEEE 802.1Qbv 還支持調(diào)度流量增強(qiáng)，這有助于對以太網(wǎng)主干數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級管理與調(diào)度。

TSN 對于音頻數(shù)據(jù)是必需的，因為它能夠確保即使路徑延遲不同，車內(nèi)各位置的音頻播放依然保持同步。IEEE 802.1Qav 定義了 AVB 支持，用于通過以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)拓?fù)洌涵h(huán)形與星形

許多第一代區(qū)域架構(gòu)采用星形拓?fù)?，其?CCU 與每個 ZCM 通過點對點以太網(wǎng)直接連接。因此，每個 ZCM 之間的通信要么通過 CCU 轉(zhuǎn)發(fā)，要么通過額外的點對點以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)從右側(cè) ZCM 到左側(cè) ZCM 的直接區(qū)域間通信。另一種方式是環(huán)形拓?fù)?，即將所有?jié)點連接成閉環(huán)，使數(shù)據(jù)可以在環(huán)路中以順時針和逆時針進(jìn)行雙向傳輸。圖 2 中比較了環(huán)形拓?fù)渑c星形拓?fù)涞牟町悺?/p>

圖 2 正常運(yùn)行中的環(huán)形與星形通信路徑

圖3 演示了以太網(wǎng)鏈路發(fā)生故障時的兩種拓?fù)涞谋憩F(xiàn)情況。環(huán)形拓?fù)渫ㄟ^交替的單向以太網(wǎng)保持與所有區(qū)域的通信。此外，環(huán)形拓?fù)渫ㄟ^雙向同時傳輸數(shù)據(jù)消除了切換時間，因此即使一條路徑發(fā)生故障，數(shù)據(jù)也能立即沿另一條路徑繼續(xù)傳輸，這對于 ECU 間安全關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的傳輸至關(guān)重要。相比之下，當(dāng)星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的某條以太網(wǎng)連接斷開時，與該ZCM 的所有通信將立即中斷，迫使其進(jìn)入受限運(yùn)行模式，并回退至預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)。

圖3 以太網(wǎng)連接中斷時的環(huán)形與星形通信路徑

以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)本身具備冗余特性，而星形架構(gòu)則需要額外的通信鏈路才能實現(xiàn)同等保護(hù)，如圖4 所示。為每個 ECU 添加重復(fù)的通信鏈路（如以太網(wǎng)或 CAN）會增加系統(tǒng)成本和車重。

圖4 環(huán)形拓?fù)渑c星形拓?fù)渲械娜哂?/p>

以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)的一個缺點是，節(jié)點數(shù)量增加會導(dǎo)致ECU 間的端到端延時上升。例如，具有四個節(jié)點的以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)的端到端延時比具有三個節(jié)點的以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)更高。這種額外延時主要來源于每個 ECU 交換機(jī)中的數(shù)據(jù)包殘留延遲以及數(shù)據(jù)包復(fù)制的軟件延時，如圖 5 所示。

圖5 軟件中的數(shù)據(jù)包殘留延遲和數(shù)據(jù)包復(fù)制

表1 計算了額外延時。

表1 軟件中殘留數(shù)據(jù)包延遲和數(shù)據(jù)包復(fù)制導(dǎo)致的以太網(wǎng)環(huán)延時

表1 假設(shè)條件：每秒 2,000 個數(shù)據(jù)包 (PPS)，1Gbps 以太網(wǎng)，CPU 以 400MHz 運(yùn)行（單核，負(fù)載小于 60%）。

公式1 將以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)的端到端延時表示為：

方程式1. (1)

其中A 是交換機(jī)中的數(shù)據(jù)包殘留延遲，B 是數(shù)據(jù)包復(fù)制的軟件延時。

以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)實施

以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)的實施需要在每個節(jié)點上配置微控制器(MCU)、以太網(wǎng)交換機(jī)以及兩個以太網(wǎng)物理層 (PHY)。MCU 負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝與解封裝，將其他數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，反之亦然。以太網(wǎng)交換機(jī)提供硬件卸載支持，包括數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)制、環(huán)路終止以及重復(fù)數(shù)據(jù)包的檢測與丟棄等功能，這些均遵循IEEE 802.1cb 標(biāo)準(zhǔn)（如果硬件不支持，也可通過軟件實現(xiàn)）。目前存在三種不同的實施選項，如圖6 所示。

? 具有外部以太網(wǎng)交換機(jī)和外部以太網(wǎng)PHY 的 MCU。

? 具有集成式以太網(wǎng)交換機(jī)和外部以太網(wǎng)PHY 的 MCU。

? 帶有集成式以太網(wǎng)PHY 的外部以太網(wǎng)交換機(jī)的 MCU（也可將外部 PHY 與集成 PHY 結(jié)合使用）。

圖6 以太網(wǎng)環(huán)形硬件實施選項

在選擇不同的硬件實施時，需要考慮成本、應(yīng)用與延時。通常情況下，集成式交換機(jī)的成本低于外部交換機(jī)。區(qū)域控制器通常只需五個或更少的以太網(wǎng)連接即可與其他高速ECU（例如 ZCM、CCU 和雷達(dá)模塊）進(jìn)行通信。然而，大多數(shù)可用的以太網(wǎng)交換機(jī)都配備了八個或更多端口，當(dāng)系統(tǒng)僅需五個或更少端口時，這會造成系統(tǒng)成本的增加。

支持IEEE 802.1cb 等高級協(xié)議的硬件加速型以太網(wǎng)交換機(jī)（無論是集成式還是外部），能夠顯著降低延時；相比之下，基于軟件實施的方案通常會增加約 20μs 的延時。同時，具備 IEEE 802.1Qbv 功能的交換機(jī)還能通過優(yōu)先級隊列優(yōu)化流量調(diào)度，進(jìn)一步減少延時。TI 提供多種 MCU，支持通用平臺交換機(jī) (CPSW)、IEEE 802.1Qbv 以及類似于 IEEE 802.1cb 中的功能。

圖7 展示了使用具有集成 CPSW 和外部以太網(wǎng) PHY 的 TI MCU (AM263P4-Q1) 的以太網(wǎng)環(huán)形實施。

圖7 使用 AM263P4-Q1 的以太網(wǎng)環(huán)形實施

以太網(wǎng)環(huán)形實施過程從MCU 內(nèi)的數(shù)據(jù)封裝開始，如階段1 所示。這些數(shù)據(jù)可以包括來自 CAN、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、其他汽車接口的高優(yōu)先級車輛數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)以及非保證服務(wù)流量。在階段2，系統(tǒng)在兩個以太網(wǎng)端口對數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)制，以順時針和逆時針兩個方向發(fā)送數(shù)據(jù)；這一復(fù)制可通過軟件或硬件完成，具體取決于交換機(jī)的能力。AM263P4-Q1 能夠通過硬件實現(xiàn)這一點。

在階段3，當(dāng)節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)的目標(biāo)媒體訪問控制 (MAC) 地址與 PHY 的 MAC 地址不匹配時，以太網(wǎng)交換機(jī)會將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到環(huán)形中的下一個節(jié)點。在階段4，目標(biāo)節(jié)點會通過軟件或硬件丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包，使 ZCM 無法處理從兩個方向到達(dá)的相同數(shù)據(jù)包。環(huán)形終止也與重復(fù)數(shù)據(jù)包抑制協(xié)同工作，以防止環(huán)形內(nèi)的冗余幀無限循環(huán)。

TI 的AM263P4-Q1 MCU 非常適合以太網(wǎng)環(huán)形應(yīng)用，因為其 CPSW 在硬件中實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包復(fù)制，從而使得在 1Gbps 以太網(wǎng)條件下端到端延時最多可減少約69μs。表2 比較了基于軟件與基于硬件的數(shù)據(jù)包復(fù)制在各階段的延遲，假設(shè)每秒 10000 個數(shù)據(jù)包且載荷為 1500 字節(jié)。

表2 軟件與硬件中存在數(shù)據(jù)包復(fù)制延時

使用AVB 將音頻播放添加到以太網(wǎng)主干中

盡管AVB 并不要求使用環(huán)形架構(gòu)，但環(huán)形架構(gòu)提供的冗余可讓更多數(shù)據(jù)安全地通過ZCM。AVB 的出現(xiàn)早于TSN，最初專注于音頻應(yīng)用，隨后擴(kuò)展為支持更廣泛數(shù)據(jù)類型的TSN。如今，AVB 通常指面向音頻的 TSN 應(yīng)用，通過以太網(wǎng)傳輸音頻數(shù)據(jù)包，將音頻播放分發(fā)到各個區(qū)域模塊。主要的AVB 協(xié)議包括：

? IEEE 802.1BA — 用于架構(gòu)和配置文件的 AVB 框架。

? IEEE 802.1Qav – 時間敏感型網(wǎng)絡(luò)的 AVB 流量調(diào)度。

? IEEE 1722 – AVB 傳輸協(xié)議。

音頻播放需要以設(shè)定的采樣速率向音頻放大器傳輸音頻數(shù)據(jù)。為了在多個區(qū)域同時播放音頻，每個區(qū)域必須保持時間對齊，以避免因相位錯位造成的音頻保真問題。AVB 通過補(bǔ)償以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包延時的差異，可確保ZCM 間音頻播放保持一致且時間對齊。

區(qū)域架構(gòu)中的音頻

通常情況下，車輛會處理四種類型的音頻數(shù)據(jù)：

? 通過麥克風(fēng)捕捉的人聲，用于免提通話。

? 通過路面?zhèn)鞲衅骰螓溈孙L(fēng)捕捉的噪聲，用于主動降噪(ANC)。

? 在車內(nèi)揚(yáng)聲器播放的音頻，用于娛樂系統(tǒng)和ANC。

? 在混合動力汽車和電動汽車外部揚(yáng)聲器播放的音頻，用于聲學(xué)車輛警示系統(tǒng)。

目前典型的音頻解決方案通常使用獨(dú)立的專有音頻總線或模擬信號在車輛內(nèi)部傳輸音頻數(shù)據(jù)。而以太網(wǎng)AVB 則是一種非專有解決方案，通過利用現(xiàn)有以太網(wǎng)主干，將音頻播放數(shù)據(jù)從 CCU 傳輸?shù)礁鲄^(qū)域模塊，從而減少布線。在以太網(wǎng)總線上，車內(nèi)揚(yáng)聲器音頻播放是首個被采用的音頻數(shù)據(jù)類型。圖 8 展示了其實施方法。

圖8 四種潛在的音頻播放解決方案

圖8 中的第一個示例展示了獨(dú)立于車輛架構(gòu)的傳統(tǒng)音頻總線網(wǎng)絡(luò)。所有的聲音采集數(shù)據(jù)都通過數(shù)字音頻總線傳輸；CCU 或數(shù)字座艙 ECU 負(fù)責(zé)處理娛樂系統(tǒng)音頻數(shù)據(jù)，而外部放大器模塊則負(fù)責(zé)數(shù)字信號處理及揚(yáng)聲器輸出。該架構(gòu)的主要缺點是從外部放大器模塊到揚(yáng)聲器的布線較長。

圖8 中的第二個圖演示了在區(qū)域架構(gòu)下使用獨(dú)立音頻總線的音頻實施。聲音采集數(shù)據(jù)仍通過數(shù)字音頻總線傳輸至 CCU 進(jìn)行數(shù)字信號處理。隨后，音頻播放數(shù)據(jù)從 CCU 通過數(shù)字音頻總線傳輸?shù)?ZCM，再由ZCM 放大并輸出到揚(yáng)聲器。這種方法由于音頻放大器位置靠近揚(yáng)聲器，縮短了揚(yáng)聲器布線長度；但同時，音頻總線變得更加復(fù)雜。

圖8 中的第三個圖和第四個圖展示了 AVB 音頻播放實施。數(shù)字信號處理仍在 CCU 中進(jìn)行，但音頻播放數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸。這種方法既適用于星形拓?fù)?，也適用于環(huán)形拓?fù)?；其中，環(huán)形拓?fù)錇橐纛l數(shù)據(jù)提供了額外的冗余保障。此方法同時簡化了音頻總線設(shè)計，并保持揚(yáng)聲器布線較短。

在ZCM 中實施 AVB

通常情況下，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)包括MCU、以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng) PHY，且這些元件之間通常需要一定程度的集成。這些元件通過以下方式實現(xiàn)媒體時鐘同步 (圖 9)：

? 以太網(wǎng)MAC。

? 以太網(wǎng)PHY。

? IEEE802.1AS (gPTP)。

? IEEE1722 媒體時鐘恢復(fù)。

? 媒體時鐘生成。

圖9 媒體時鐘同步解決方案示意圖

以太網(wǎng)PHY 負(fù)責(zé)傳輸和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。以太網(wǎng) MAC 通過封裝和解封數(shù)據(jù)包來管理數(shù)據(jù)傳輸。gPTP 協(xié)議可在所有網(wǎng)絡(luò)器件間同步本地時鐘，以保持一致的時間基值。IEEE 1722 媒體時鐘恢復(fù)使用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中的嵌入式時序信息來調(diào)整音頻媒體時鐘：一種是稱為幀同步 (FSYNC) 的音頻采樣時鐘，而另一種是音頻數(shù)據(jù)串行器比特時鐘 (SCLK)。

圖10 展示了 AVB 實施的可能元件圖。

圖10 在 MCU、以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng)PHY 中實施媒體時鐘同步

TI 采用 DP83TG721-Q1，其集成了媒體時鐘恢復(fù)功能，可根據(jù)輸入的以太網(wǎng)流重新同步本地媒體時鐘。該P(yáng)HY 在硬件層面生成音頻采樣率的媒體時鐘(FSYNC) 以及音頻數(shù)據(jù)串行器比特時鐘 (SCLK)。PHY 硬件還負(fù)責(zé)管理音頻數(shù)據(jù)包的呈現(xiàn)時間。AM263P4-Q1 MCU 通過其可編程實時單元模擬 I2S 音頻數(shù)據(jù)，從而與TAS6754-Q1 音頻放大器進(jìn)行通信。圖11 展示了此解決方案。

圖11 使用 AM263P4-Q1、DP83TG721-Q1 和 TAS6754-Q1 的 TI AVB 解決方案

表3 列出了適用于以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)和 AVB 的協(xié)議。

表3 適用于以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)和 AVB 的協(xié)議列表

結(jié)語

隨著汽車制造商向集中式架構(gòu)遷移，可靠、高效且可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得愈發(fā)重要。通過實施以太網(wǎng)環(huán)形架構(gòu)，可在ZCM 與 CCU 之間提供冗余數(shù)據(jù)流，從而提升車載網(wǎng)絡(luò)的可靠性。此外，TSN 支持將各種數(shù)據(jù)流（包括通過 AVB 傳輸?shù)囊纛l）集成到以太網(wǎng)主干上，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布線成本。

關(guān)于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，從事設(shè)計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設(shè)備等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，使我們的技術(shù)變得更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。