|
遠程控制邊緣技術革新汽車網絡，為 SDV 實現更加集中化的架構 作者：德州儀器 簡介 汽車車載網絡不斷發展，以支持軟件定義車輛 (SDV) 中的新功能。隨著軟件整合到更少的電子控制單元 (ECU) 中，以增強車輛各個平臺的可擴展性并簡化無線 (OTA) 更新，一種新穎的遠程控制邊緣概念不僅優化布線，而且支持可擴展的邊緣節點軟件。邊緣節點是對特定功能進行實時控制的專用 ECU，例如用于外部照明的前照燈模塊或用于門鎖、車窗和側后視鏡的控制模塊。這些節點在整個車載網絡中接收來自命令器 ECU（區域控制器，域控制器或中央計算）的命令。 邊緣節點對本地硬件控制進行管理，它監測溫度、壓力或位置傳感器以提供控制環路反饋，同時通過負載驅動器（包括半橋以及高側和低側開關）直接控制電機和電磁閥等機械執行器。圖 1 展示了區域架構中邊緣節點和命令器 ECU 之間的差異。 
圖 1. 包括命令器 ECU 和多個邊緣節點的汽車區域架構 遠程控制邊緣架構將實時控制和硬件抽象層 (HAL) 上行游轉移到命令器 ECU，后者為傳感器和負載驅動器生成低級硬件命令并傳輸到邊緣節點。遠程控制邊緣解決方案通過串行外設接口 (SPI)、內部集成電路 (I2C)、通用異步接收器/發送器 (UART) 和通用輸入/輸出 (GPIO) 等低級通信接口，在 ECU 之間橋接更高級別的網絡數據鏈路層，例如以太網或控制器局域網 (CAN) 等。這種方法從邊緣節點中完全移除了微控制器 (MCU) 和所有軟件。 遠程控制邊緣方案支持有關 SDV 的重大趨勢，并通過將軟件集中在命令器 ECU 中同時使邊緣節點中依賴于負載的硬件靠近機電執行器來減少線束數量。 傳統邊緣節點與遠程控制邊緣節點的對比 圖 2 顯示了傳統邊緣節點的方框圖。在傳統架構中，本地 MCU 包含 HAL，HAL 是定義器件軟件驅動程序如何與硬件交互的軟件。邊緣 MCU 通過網絡接口（通常是 CAN 靈活數據速率 (CAN FD) 本地互連網絡）接收來自控制器 MCU 的命令，并根據控制器發出的指令控制本地硬件。 例如，如果上游控制器 MCU 向邊緣 MCU 節點發送命令“升起駕駛員側車窗”，則邊緣 MCU 會將該消息轉換為特定的硬件操作，包括升起車窗、執行車窗軟關閉以及防止可能發生的電機失速或車窗夾手事件。邊緣節點 MCU 將必要的 SPI 消息傳送到電機驅動器，并通過發送到半橋電機驅動器的脈寬調制 (PWM) 輸出實施窗口電機的實時控制環路，同時使用集成式模數轉換器 (ADC) 監控電機電流并對霍爾效應脈沖計數以進行窗口位置跟蹤。
圖 2. 與命令器 ECU 進行通信的傳統邊緣節點方框圖 圖 3 展示了遠程控制邊緣節點方框圖。這種架構將 HAL 和實時執行器上行移入命令器 ECU 的 MCU 中，完全消除了邊緣節點 MCU。控制器 MCU 現在可以發送包括器件通信協議幀或外設控制（SPI、I2C、UART、PWM 輸出控制、ADC 采樣或 GPIO）的命令。 對于車窗升降應用，控制器通過網絡發送嵌入到標準通信協議數據有效載荷（CAN FD Light 或 10BASE-T1S）中的直接控制數據（SPI 電機驅動器命令和 PWM 輸出設置）。邊緣節點中的通信橋接器提取這些協議數據有效載荷并在相應的 GPIO 引腳上輸出 SPI 幀和 PWM 信號。對于傳感器反饋，該橋接器對內部或外部 ADC 和霍爾效應傳感器數據進行采樣并將數據發送回命令 ECU 以完成控制環路。
圖 3. 與命令器 ECU 進行通信的遠程控制邊緣節點方框圖 遠程控制邊緣節點的優勢 遠程控制邊緣架構具有多種優勢，包括實現軟件集中化、降低軟件開發成本、支持可擴展性和簡化 OTA 更新。此外，使用遠程控制邊緣節點可以實現從命令器 ECU 進行負載驅動器控制，同時最大限度減少負載接線。 遠程控制邊緣節點可通過軟件集中化降低系統成本。通過移除邊緣微控制器并將軟件集中到更少的 ECU 中，公司可以減少軟件開發工作量和管理開銷，減少整個車輛中多個 ECU 的測試和驗證要求。 軟件集中化還提高了可擴展性。開發人員可以僅為上游命令器 ECU 創建軟件，同時實現邊緣節點中硬件的標準化。這種標準化簡化了多個節點和 ECU 間的車輛基礎設施，而無需使用專用邊緣硬件。 圖 4 將傳統方法（每個邊緣節點模塊使用不同供應商提供的不同 MCU，需要跨多個平臺進行軟件開發和管理）與遠程控制邊緣方法（圖 4 中的標簽“RCE 解決方案 A、B 或 C”代表多個供應商提供的無軟件選項）進行了對比。基于標準的解決方案具有額外的優勢，因為無論是哪家遠程控制邊緣解決方案供應商，命令器 ECU 的軟件都保持一致。
圖 4. 遠程控制邊緣節點與傳統邊緣節點的硬件可擴展性 實現控制集中化讓汽車制造商能夠簡化軟件管理和 OTA 更新，使他們更容易擁有和管理自己的軟件。發布 OTA 更新只需要更新命令器 ECU，不需要更新多個模塊的軟件。 使用邊緣節點而不是直接從命令器 ECU 驅動負載，縮短了連接負載驅動器的電線長度。遠程控制邊緣節點保持這一優勢，同時還將 HAL 保留在命令器 ECU 中。圖 5 以車門為例展示了區域架構中的這種配置。盡管區域控制器控制兩個車門模塊，但車門邊緣模塊縮短了負載布線，這也有助于通過盡量減少寄生電容和電感來減少電磁干擾，對于需要更快開關時間的下一代 48V 車輛，這一點尤其重要。
圖 5. 與傳統邊緣節點相比，遠程控制邊緣節點的電纜減少 遠程控制邊緣節點注意事項 從事遠程控制邊緣技術研究的原始設備制造商 (OEM) 和設計人員必須考慮延遲、功能安全、網絡安全和成本。 延遲是一項重大設計挑戰。來自邊緣的數據必須上行，在上游進行決策并由邊緣處理，然后下行返回邊緣進行實施，這會增加實時控制環路的延遲。圖 6 展示了這種負載檢測和控制過程。傳統邊緣節點只需要完成第 2 步和第 5 步，而遠程控制邊緣解決方案實現了智能操作或自主輪詢等功能來減少延遲。智能操作允許橋接器件自動傳送傳感器數據，而無需命令器 ECU 初始提示，從而省略了第 1 步。自主輪詢使橋接器件能夠自動對傳感器采樣并將讀數存儲到緩沖器。因此，可以在其他步驟期間執行第 2 步，這有助于進一步減少延遲。
圖 6. 增加延遲的遠程控制邊緣節點的通信步驟 由于不再有本地實時控制，因此可能會出現功能安全問題。有著嚴格要求（例如容錯時間間隔規范中的嚴格延遲要求）的邊緣應用可能難以處理上游通信延遲。作為一項較新穎的技術，第一代遠程控制邊緣器件可能無法滿足汽車安全完整性等級要求，或者可能需要采取額外措施來實現系統級的功能安全。 隨著車輛越來越依賴軟件，網絡安全風險也隨之增加。如果不采取適當的安全措施，黑客就能夠訪問車載網絡并控制全車的功能，這可能會帶來盜竊和安全風險。由于在遠程控制邊緣節點沒有 MCU 在本地管理安全，因此在遠程控制邊緣節點上實現網絡安全更為困難，因此 OEM 務必要選擇滿足其網絡安全需求的解決方案。 成本考慮因素必須平衡硬件和軟件費用。將目前在傳統邊緣節點中使用的低級 MCU 替換為遠程控制邊緣節點器件可能更加昂貴。但是，請務必記住，即使硬件成本增加，軟件開發和管理成本仍將大幅節省。 遠程控制邊緣讓汽車制造商能夠在內部管理更多軟件，OEM 需要對一些折中進行評估。 遠程控制邊緣應用 遠程控制邊緣技術在照明、電池管理系統 (BMS)、高級駕駛輔助系統 (ADAS)、汽車門禁和車身電機等眾多應用中提供價值。表 1 列出了這些應用和遠程控制邊緣節點的優勢。 表 1. 各種遠程控制邊緣節點應用以及它們為什么非常適合
遠程控制邊緣協議 遠程控制協議解決方案包括 10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN。這些協議以半雙工模式運行，允許兩個器件之間進行非同步雙向數據傳輸。半雙工支持多點功能，即兩個以上器件在同一條總線上通信，只需要命令器 ECU 中的一個網絡器件與多個邊緣節點交互。圖 7 展示了一個多點拓撲示例。
圖 7. 命令器 ECU 與邊緣節點之間的多點拓撲 10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN 在速度、有效載荷容量以及多點和總線拓撲中的節點數量方面存在差異同。表 2 對這些協議進行了比較。 表 2. 10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN 遠程控制邊緣網絡協議間的比較
圖 8 展示了輪循拓撲和命令器/響應器拓撲之間的差異。輪詢拓撲循環運行，在每一周期，每個節點根據其節點 ID 有一個專屬傳輸機會。這樣，仲裁將自動進行，但需要進行調解以確保優先級或時間關鍵型數據不會因總線上的低優先級數據而延遲。命令器/響應器拓撲要求命令器 ECU 在總線上發送數據之前提示下游節點。傳輸順序由命令器 ECU 而不是由節點 ID 決定。
圖 8. 輪循拓撲與命令器/響應器者拓撲的傳輸比較 10BASE-T1S 由電氣電子工程師協會 (IEEE) 802.3cg 實現標準化，它使用由技術委員會 18 制訂標準的遠程控制協議。其工作速率為 10Mbps 并采用輪詢多點拓撲。作為以太網協議，10BASE-T1S 可以集成以太網功能，例如媒體訪問控制安全 (MACSec)、時間敏感網絡 (TSN)、音頻視頻橋接 (AVB) 和數據線供電 (PoDL)。表 3 介紹描述了這四個功能。此外，已經使用高速以太網主干網的系統可以在整個以太網網絡受益于精簡的軟件。 表 3. 列出和說明 10BASE-T1S 以太網功能和標準
CAN FD Light 是基于國際標準化組織 (ISO) 11898-1:2024 標準的 CAN FD 的一個版本，工作速率為 1Mbps 至 5Mbps。與遵循 CAN 仲裁（節點同時傳輸，節點 ID 最小的節點勝出）的傳統 CAN 不同，CAN FD Light 采用命令器/響應器者拓撲運行。邊緣節點使用 CAN FD Light 響應器，命令器 ECU 使用 CAN FD Light 命令器或 CAN FD 收發器。由于許多現有架構已經使用 CAN FD 收發器與邊緣節點通信，因此可以輕松地將 CAN FD Light 集成到當前架構。然而，考慮到控制器仲裁階段的限制，實現 >1Mbps 的速度需要使用 CAN FD Light 命令器。 10BASE-T1S 和 CAN FD Light 協議將以太網和 CAN 橋接至 SPI、I2C、UART、GPIO 和 PWM 等其他協議（請參閱圖 9）。這種橋接可通過 10BASE-T1S 和 CAN FD Light 實現多個傳感器和驅動器的遠程控制，使這兩種解決方案可在各種終端應用中通用。
圖 9. 10BASE-T1S 或 CAN FD Light 邊緣節點的方框圖 UART over CAN 使用 CAN 收發器通過 CAN 物理層 (PHY) 傳輸 UART 數據包（請參閱圖 10）。在命令器/響應器拓撲中，UART over CAN 的工作速率 ≤1Mbps，它提供了一種具有成本效益的解決方案，但依賴于基于 UART 的驅動器（例如 LED）或具有集成實時控制和診斷功能的電機驅動器。
圖 10. UART over CAN 邊緣節點的方框圖 具有集成實時控制的智能驅動器補充完善了遠程控制邊緣解決方案，它減少了上游控制要求。德州儀器 (TI) 為無傳感器電機系統提供具有集成控制的智能電機驅動器，包括用于無刷直流 (BLDC) 電機驅動器的無傳感器磁場定向控制以及用于步進電機驅動器的集成電流檢測和失速檢測。步進電機由于旋轉精度更高，特別適合遠程控制邊緣應用，因為它們需要更少的上游診斷數據。表 4 列出了一些 TI 器件。 表 4. TI 的電機驅動器產品
遠程控制邊緣系統解決方案 圖 11 展示了使用 10BASE-T1S 或 CAN FD Light 的前照燈遠程控制邊緣節點。PHY 或響應器將以太網或 CAN FD Light 消息轉換為各種本地協議，控制溫度傳感器、LED 驅動器、電機驅動器和高側開關。命令器 ECU 向 PHY 或響應器提供命令，以通過 UART、SPI、GPIO 或其他協議啟用負載驅動器，從而打開和關閉執行器。然后，PHY 或響應器上行發送傳感器數據和執行器反饋到命令器 ECU。
圖 11. 使用 10BASE-T1S 或 CAN FD Light 的遠程控制前照燈模塊方框圖 利用具有集成步進電機梯形控制功能的 TPS92544-Q1 開關 LED 驅動器和 DRV8434A-Q1 步進電機驅動器，TI 提供了采用 UART over CAN 協議的遠程控制邊緣前照燈解決方案。TPS92544-Q1 通過單個 UART 接口控制 LED 和電機，使其成為高效的前照燈模塊解決方案。如圖 12 所示，CAN 收發器用作來自命令器 ECU 的 UART 數據包的硬件介質。 這些 UART 數據包控制 TPS92544-Q1 以啟用前照燈，并驅動 DRV8434A-Q1 器件對調平電機進行步進電機運動控制。
圖 12. 使用 TPS92544-Q1 和 UART over CAN 的遠程控制前照燈模塊方框圖 結語 隨著汽車市場接受在區域架構上進行 SDV 和 ECU 整合，軟件集中化的推動力將進一步增強，從而實現可擴展性并減少電線數量。遠程控制邊緣節點通過將軟件上行游移動并整合到更少的 ECU 中以及簡化 OTA 更新為這一舉措提供支持。 10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN 等多種解決方案可為系統架構師提供滿足其具體設計需求的選項。此外，具有集成診斷和控制功能的智能驅動器可進一步優化遠程控制邊緣實現。 |
