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作者：德州儀器 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。 • 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)整和時序補償來抵消偏移延時。此外，IEEE 802.1Qbv 還支持調(diào)度流量增強，這有助于對以太網(wǎng)主干數(shù)據(jù)進行優(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)洌渲?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)洌磳⑺泄?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?br />
圖 2 正常運行中的環(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，迫使其進入受限運行模式，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，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?br /> 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.
其中 A 是交換機中的數(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)交換機以及兩個以太網(wǎng)物理層 (PHY)。MCU 負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行封裝與解封裝，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)交換機和外部以太網(wǎng) PHY 的 MCU。 • 具有集成式以太網(wǎng)交換機和外部以太網(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，集成式交換機的成本低于外部交換機。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）進行通信。然而，大多數(shù)可用的以太網(wǎng)交換機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（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 功能的交換機還能通過優(yōu)先級隊列優(yōu)化流量調(diào)度，進一步減少延時。TI 提供多種 MCU，支持通用平臺交換機 (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)字信號處理及揚聲器輸出。該架構(gòu)的主要缺點是從外部放大器模塊到揚聲器的布線較長。 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 放大并輸出到揚聲器。這種方法由于音頻放大器位置靠近揚聲器，縮短了揚聲器布線長度；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)洌策m用于環(huán)形拓?fù)洌黄渲校h(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 PHY 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。 |
