乙太網路可能成為車載連接骨幹?

作者 : Nathaniel Ayling,Imagination技術通訊總監

縱觀汽車電子產業的眾多線纜標準,乙太網路明顯脫穎而出。其高頻寬和廣泛採用意味著它是一種經濟高效且強大的車內連網方式,再加上高品質的IP,可望為目前和未來的駕駛人提供車輛所需的先進功能與安全途徑...

毫不誇張地說,連接性(connectivity)是讓我們所有日常技術能夠發揮作用的關鍵,其並已延伸到汽車內部的連接了。不過,在本文中,我們要探討的並不是駕駛人、乘客及其裝置的無線通訊,而是一種匯流排,能於汽車內部傳輸數據,使其中的所有零組件都能夠相互通訊,範圍涵蓋車窗到電子車身穩定程式(ESP)和防鎖死煞車系統(ABS)系統,以至於任何需要駕駛人控制的電子系統。

汽車製造商的現代數據傳輸始於1983年控制器區域網路(CAN)匯流排的發展,而從這不起眼的起點開始,纜線和連接選項的數量迅速增加,目的是為了跟上在車輛中移動更多數據的日益成長中需求:確實,第三代CAN通訊技術CAN XL便是在2019年所推出的。由於市場上有這麼多的選項,很難知道哪一個在速度、可用性和功能方面是真正領先的。

數十種選擇:一個贏家

從下圖可看出從1983年至今一系列不同的連接標準,以及其數據傳輸速度方面的衡量標準。雖然這並非衡量網路的唯一指標,但肯定是一個主要標準。

車用連接標準的峰值速度比較。(圖片來源:Imagination)

然而,相較於電機電子工程師學會(IEEE)的乙太網路(Ethernet)標準,車用連接技術的始祖——CAN 匯流排在數據傳輸速度方面則顯得步履蹣跚,尤其是在高階方面。這些數據清楚地顯示了,任何明智的工程師會透過甚麼選擇來連接車輛中的無數系統。

正如前述,我們並非只關注峰值傳輸速度,車輛最主要的選擇是能夠廣泛連接乙太網路 IEEE 802.3bw以提供數十億位元(gigabit;GB)的速度,並且非常適合複雜的車內環境;同時,還可以擴展到多個子系統,使其能夠透過一對纜線發送和接收數據;而當與高速點對點(P2P) IEEE標準同級匯流排共同部署於幹線通訊時,乙太網路便成為車輛電子設計靈活性的首選方案。

乙太網路是眾所皆知的名詞,無論是對於工程師或是一般使用者,它都已經成為無處不在的連接標準,而這意味著乙太網路取得了市場上絕大多數作業系統(OS)和SoC的支援,在設計任何車輛的完整電子生態系統時,都能使設計更加輕鬆。車載資訊娛樂系統可能在執行 Android Auto,先進駕駛輔助系統(ADAS)功能可能運行在客製化的 Linux 層級,感測器和攝影機則可能使用自己的客製作業系統,但乙太網路則可以支撐這一切。

由於這些裝置中普遍使用傳輸控制協定/網際網路協定(TCP/IP),使用乙太網路意味著無需為汽車專用網路系統(如CAN匯流排)額外創建自定義層方面的工作。

此種可擴充性、標準化和通用性的結合,使得系統能夠處理任何事情,從簡單的遠端通訊,到未來自動駕駛汽車所需的數百個感測器,均使用相同的基本元件。

更多數據、更多決策、更多安全關鍵指令

短時間內,車輛周圍的數據量將呈現指數型成長,越來越多的車輛配備了ADAS功能,在真實世界中,數十個鏡頭記錄高達4K的影像,這些鏡頭必須將這些數據傳遞至處理器以進行決策,因此需要高達400Gbps的網路。

關於大容量數據,目前有兩個主要的解決方案,第一種方法是避免如此高的頻寬,以及避免集中處理所有數據,而是盡可能在邊緣感測器上處理數據。這種處理的結果可以減少移回中央處理器的數據封包,但是這會增加成本,並可能影響數據傳輸的準確性。透過為每個感測器或感測器叢集配備一個獨立的處理器,將可大幅增加車輛的晶片面積和成本。

第二種方法是使用高頻寬連接(如最新的IEEE乙太網路標準),透過交換器或路由器將原始數據移回中央處理器,不僅可降低分散式處理的成本,同時因 IEEE 標準減少瞬態故障的發生,還可以確保數據傳輸更加安全

沒有目標的數據是無用的

克服這個難題的最後一塊拼圖是互連,由於每秒有幾十個或幾百個數據串流和數百萬個指令,需要一些得以控制這些數據串流的機制,並確保數據在正確的時間、正確的位置且無障礙地傳達。

例如,Imagination 的 乙太網路封包處理器(Ethernet Packet Processors;EPP)便可做到這一點,同時符合最高的汽車安全標準。

乙太網路是車載網路的黃金標準,用於連網車輛內部實現各種電子裝置間通訊。(圖片來源:Imagination)

基於Imagination EPP 的時效性網路 (TSN),在發生故障時可以透過冗餘方式發送數據封包,這意味著問題可以在發生之前即進行修復或在往返之後記錄。

TSN 還使EPP能夠優先考慮被系統標記為安全關鍵的某些功能或數據封包,這意味著如果存在頻寬限制,並且必須在發送安全關鍵感測器數據和與藍牙介面的指令之間進行選擇,EPP可以發送更重要的數據封包,進而確保功能安全。結合上述所有功能,從而使EPP能夠符合ASIL-B和ISO 26262認證一致性標準,用於安全關鍵系統。

安全實惠

縱觀汽車電子產業的眾多線纜標準,乙太網路明顯脫穎而出。其高頻寬和廣泛採用意味著它是一種經濟高效且強大的車內連網方式,再加上高品質的IP,如Imagination已開放授權的EPP,可望為目前和未來的駕駛人提供車輛所需的先進功能與安全途徑。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年9月號雜誌

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論