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車用EE架構對CAN有何影響?

我快閉嘴 ? 來源:CSDN ? 作者:楊福宇 ? 2021-01-01 09:04 ? 次閱讀

現在對車用EE架構的變化路徑看法大致上統一了。

代表性的是Bosch的說法(引自佐思汽研發布《2019-2020 智能汽車計算平臺與系統架構研究報告》智能汽車E/E架構研究:特斯拉遙遙領先,傳統車企發力猛追):從現在的分散的以信息Domain的系統過渡到強ECU的中心化域,再到跨Domain的Zone ECU。再下一步是計算中心與云。

與此對應,通信系統也有變化,要從CAN 過渡到CAN與以太網共存。

首先,演變中ECU的數量只是減少一部分,只有那些軟件可以合并處理的ECU會集中到較強大的DCU(Domain Control Unit)中去,那些傳感器、執行器的ECU仍然會存在。OTA是創新的商業模式:用軟件選項和更新來分期賺錢,以及減少服務的開銷,EE架構的變化使DCU的量減少,也使軟件的集成變得容易,DCU的出現是為了便于OTA的實現。在這個前提下, DCU、傳感器ECU、執行器ECU都要預留更新升級的能力,它的硬件成本會因部分合并的MCU及其供電電路量會減少;但單個MCU處理任務的增加本身就要求芯片算力(速度、容量)的提升,加上軟件復雜性增加、需要增加軟件的中間層次也使它提高了MCU算力的要求,它們的成本便不會降低。傳感器、執行器ECU會增加更多的自診斷能力,以便功能安全的處理方法增加選項,減少無效維修的成本。這些診斷信息要及時上傳。車廠的競爭力在于性能,EE架構的變化也是以性能為第一位的,降低成本是第二位的。

許多人認為用以太網既可提高網速又可降低成本,可以在車控系統中代替傳統的CAN總線,所以在EE架構中全用以太網,但是以太網在車的電磁環境中的用法是有疑問的:銅雙絞線以太網在應用上遇到了困難,第一個吃螃蟹的BMW遇上了EMC問題,幾乎不得不推遲新車檔期,使后繼者望而生畏,這幾乎是血的代價,非常值得我們警惕。

如果過渡到塑料光纖以太網,干擾和帶寬可以解決。據新的消息,KDPF現在已經有25G產品了,它幾乎是CAN的2500倍帶寬,但是塑料光纖以太網的成本也是非常高的:例如普通電信光貓的收發器是RMB 50~100元一對(以太網是交換機,每個節點要一對接口)。而NXP的CAN收發器TJA1044是RMB1~3元一片。考慮到CAN應用中除收發器外還要其他的電路保護器件(如TVS、濾波電容共模電感等),使用塑料光纖以太網的成本仍然要CAN的10倍以上,這是新EE架構的巨大障礙。

因此昂貴的塑料光纖以太網只能用于非常必要的場合,例如ADAS DCU和幾個強計算能力的DCU或ZCU(zone control unit,例如Tesla的4個區域控制器),以及某些程序量大的專用ECU。CAN在局域子網中依然需要,新的EE架構中DCU-ECU的CAN 2.0局域網中之間的通信需求也不會減弱。

這里就涉及2018開始的CAN XL 協議與CAN 2.0在新EE架構中的定位問題。CAN XL 是Bosch要推出的新協議,它的主要目的是能擺渡(tunneling)以太幀(數據區達到2KByte)。同時對錯幀漏檢的CAN 2.0、CAN FD的功能安全不夠格的老問題作一次改進,例如增加了頭部區的CRC檢驗。為了改善信號波形,物理層也改變了:數據區高速傳送時采用的是正負電壓差表示0/1(CAN 2.0采用的是正電壓差和0表示0/1)。因此CAN XL是無法與CAN 2.0或CAN FD同時工作的。

在新的EE架構中,大程序的DCU或ZCU、專用ECU基本上都是強大的CPU或MCU,它們已經配置了塑料光纖以太網,以滿足其實時控制的需要,進行OTA時不需要再擺渡,即不需要CAN XL。

而對于與DCU或ZCU相配的局域網中的傳感器、執行器ECU,它們的程序小得多,OTA的時間是很小的,但是從CAN2.0改到CAN XL涉及很大的成本:所有原來的產品要一同更新,包括安全認證。所以局域網中用CAN XL經濟上是不合算的。

另一方面,如果EE架構過渡到DCU或ZCU時,對應的CAN局域網總線的長度可以縮短,例如總線長8m=40ns,收發器loopdelay=150ns(現有水平最好為120ns),那么CAN 2.0的位時間可用到500ns,如果MCU芯片設計使CAN 2.0可工作到3Mbps ,使用已有的高速收發器(原來供CAN FD用的,可達到5~8 Mbps),那么在局域網中便可以直接用CAN 2.0達到2~3Mbps,總線不需要用CANFD協議了(錯幀漏檢仍達不到要求的),也不會遇到CAN FD因變速帶來新的問題(各生產廠慢速部分采樣點設定不同造成切換出錯時初始相位差)。新EE架構不僅使線纜的長度減少,同時局域網CAN 2.0總線的實時通信能力也得到了提高。

CAN 2.0可工作到2 Mbps的MCU芯片是有的,其型號是CY90950:

因此EE架構的變化沒有給CAN XL留下足夠的市場空間,相反,如果在CAN 2.0的基礎上作功能安全的改進,改掉CAN的4個功能安全隱患(EOF6設計造成的節點間不一致接收、等效離線故障、毛刺引起的優先級倒置、比設計大幾千倍的錯幀漏檢率),加高CAN IP的工作速率,同時增大數據部分的到18字節,以滿足增加信息安全防護的需要,例如ECAN,會有很好的市場預期,也是國產MCU廠超車的好機會。

塑料光纖以太網的光電轉換部分信號能級是非常小的(1nw級),是否能抗得住來自電源的高頻(與信號GHz相同)傳導干擾,或者說能否設計好抗干擾的電源,尚有待觀察。因此仍然要考慮出錯可能,特別是局部干擾造成的出錯。EE架構改變之后,用以太網傳送功能安全需要的信息,特別是需要分享的信息,需要特別關注數據的一致性。以太網用交換機分送到各節點,很難達到數據的一致性,例如送到輪1、2、3、4、v2x是剎車,送到v2x的剎車信號出錯了,就會使后車追尾,那么這個信號如何告訴到所有節點并加以糾正,將是十分費時且軟件復雜的工作,不像CAN用那種總線報錯幀那么容易、及時。好在塑料光纖以太網的高傳送速率可以采取時間上的冗余:關鍵信息傳送3次,3中取2的表決方法,就不用報錯過程了。

實際上可以期待通過以太網交換機將關鍵信息傳到DCU或ZCU,處理之后通過子CAN 2.0總線去執行,例如ADAS的處理結論要剎車還是轉向。還可以設想ADAS中產生的車速、姿態數據也可以傳送到相關的DCU去,例如用它們來代替EPS中推算出的車速、姿態數據,從而更精確,也可以與EPS用的加速度傳感器互為冗余。由于計算判斷部分已集中到DCU或ZCU,所以這些信息不用轉發到CAN 2.0局域網中。

ECU中的信息,例如真實輪速、轉向角度、剎車力度、ECU的健康狀態、子CAN 2.0總線健康狀態也是關鍵信息,如果想在更高層次上作fail-operational冗余,它們也需要在塑料光纖以太網中交換。

新EE架構中的通信(塑料光纖以太網和CAN 2.0局域網)主要不是為了省錢,而是提供更多的帶寬,提高車的安全性能。而安全是車的命根子,改進CAN也是MCU廠可以給他客戶的禮物。
責任編輯:tzh

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