‖ 摘要
隨著智慧網聯汽車的快速發展，汽車已經不再是一種簡單的代步工具，更是一個充滿個性、體驗和場景的生態主體，許多豐富多彩的新功能被引入到了汽車當中。大量功能的增加使得智慧網聯汽車的電子器件越來越多，網路架構變得十分複雜，傳統的 CAN 網路已無法滿足現今快速發展的智慧網聯需求。為此，本文提出了一種基於乙太網的環網架構，該架構具有強大的計算能力、拓展能力以及開放性等優勢，能夠與外部裝置進行靈活互動、快速資料傳輸以及 OTA 軟體升級，完全彌補了傳統 CAN 網路的不足，適應了智慧網聯汽車的發展需求。
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引言
隨著智慧網聯汽車科技的不斷進步，我們經常可以看到與汽車相關的如下的場景：
1） 汽車被擺放在展廳上，車燈呈現個性化地閃滅；
2）汽車與機器人在舞臺上共舞，十分具有科技感；
3）一些改裝車的的轉向燈改裝成跑馬燈的形式，顯得更加美觀。
在很多場景中， 汽車已經不只是一個簡單的代步工具，而更是身份的象徵，是用於炫耀、展示的藝術載體。
為了滿足以上豐富多彩的場景需求，汽車需要與更多的外部裝置互聯，汽車的設計理念因此也需要從傳統的單單關注效能提升轉型為更多的功能拓展和跨界融合。新型的智慧網聯汽車需要具備更為強大的計算儲存和通訊能力，給外部預留足夠的硬體介面，軟體也需要滿足可移植、可迭代、可拓展的技術特徵，整個系統做到完全開放。
智慧網聯汽車不斷增加的電子電氣功能， 帶來的問題是 ECU 越來越多，一些先行的企業已經開始從分散控制向集中控制轉變，域控制器逐漸成為了汽車發展的一種趨勢。基於這種趨勢，車載的智慧計算基礎平臺受到了國內外相關企業和研究機構的高度關注，成為未來產業競爭的新焦點。所謂車載智慧計算基礎平臺，就是整合異構分佈的硬體平臺以及智慧駕駛作業系統為一體的系統，它是智慧駕駛領域的核心。
目前，國內許汽車產業相關的企業都紛紛參與到了域控制器的研發熱潮中，在此背景之下，本文研發了一款新型計算與通訊汽車網路架構，簡稱環乙太網架構。在此網路架構中，整車整合單元作為域控制器，它的計算儲存和通訊等能力完全滿足上述所提要求。
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環乙太網架構簡介
2.1 域控制器
環乙太網架構是基於域控制器構建的，所謂域控制器，其實是主機廠將 ECU 化繁為簡之後的衍生物。以往ECU（電子控制單元） 廣泛存在於車輛的發動機、變速箱等底層零部件之中，汽車的每一個功能都需要單一或者多個 ECU 模組進行控制，以此實現整車資訊的轉化和處理。由此，這些遍佈車身的 ECU 組成的架構就叫分散式電子電氣架構。ECU 越多，意味著車輛的電子功能越豐富， 但隨之而來的是分散的 ECU 模組容易導致車輛線束佈置複雜，車身越來越重，從而導致整車成本高昂；另一方面，由於涉及的供應商眾多，ECU 模組的軟體開發始終無法同步， 後續更新也難以為繼，遑論當下熱議的 OTA 升級了。在汽車智慧化時代，車輛需要有不斷進化的能力，這種分散式電子電氣架構顯然滿足不了整車數字化轉型的需求。2012 年特斯拉 Model S 誕生意味著車上安裝數十上百個 ECU 的時代即將過去，ECU 的減法時代到來。此後，傳統 ECU 模組開始軟硬體分離，硬體被逐步取消，軟體被集中到一起，透過單個計算平臺來實現對多個功能的控制。整車整合單元作為域控制器，每個功能域設定一個整車整合單元，整車整合單元之間透過以太骨幹網進行連線構成環乙太網型式的架構。其它子控制器可選擇採用 CAN 匯流排、LIN 匯流排、乙太網連線對應的域控制器， 如圖 1 所示。
圖 1 環乙太網架構舉例
2.2 以太骨幹網
智慧網聯汽車域控制器之間通訊的資料量可達到幾十甚至上百兆，傳統的 CAN 匯流排頻寬不足，無法滿足如此龐大的資料量傳輸。此外，智慧網聯汽車各零件軟體更新迭代的頻率很高，尤其是智慧駕駛域控制器及其子控制器，因此智慧網聯汽車的軟體更新通常是以 OTA（空中下載技術）的方式來實現的。根據功能不同，一個軟體升級包的大小在幾十兆位元到幾吉位元之間，而傳統 CAN 網路實際最高的傳輸速率僅能達到 500K 左右，如此一來，一個幾吉位元的軟甲升級包在升級時會消耗掉幾個小時甚至更久的時間， 這是極不實際的。綜上所訴，採用速率可達1G/10Gbsp、支援二層交換、又有良好的安 全可靠性的乙太網替代傳統 CAN 作為骨幹網路是智慧網聯汽車的必然選擇。
2.3 整車整合單元
整車整合單元的作用是收編傳統 ECU 功能、電源集中管理（1A ～ 40A）、IO 整合（PWM/ADC/H橋/DI/DO） 以及通訊整合（ETH/CAN/LIN）。整車整合單元軟硬體可按需靈活部署，支援 OTA 升級。如圖 1 所示，環乙太網架構中包含了 3 個整車整合單元，其中整車整合單元 2 中集成了 MPU 的功能。
2.3.1 整車整合單元硬體介面
除 ECU 外，整車整合單元還連線了大部分的車內裝置，例如透過一路乙太網連線車載路由器。同時，整車整合單元硬體預留大量的 IO 口及多種目前主流的通訊介面，且都為標準化介面。目前整車整合單元硬體介面主要包含如下 3 類：1）智慧電源介面，包括1A、3A、10A、20A、30A、40A 的常規介面， 以及 H 橋和感測器介面等；2）I/O 介面，包括數字量輸入、模擬量輸入、LSD/PWM 介面；3）網路通訊介面，包括乙太網、CAN、CANFD 以及 LIN 等。在滿足整車需求的情況下，整車整合單元還可以外接外部裝置。
2.3.2 整車整合單元軟體部署
整車整合單元通常採用分散式的軟體部署方式，以達到業務功能冗餘、提升整車可靠性、開放能力（整車級資源抽象與開放API）的目的。軟體部署具體如下：
整車整合單元 0：整車控制器演算法（上下電控制 / 充電控制 / 換擋 / 扭矩管理 / 駕駛模式等）；
整車整合單元 1：車身控制器演算法（中控鎖 / 遠近光燈 / 轉向燈 / 雨刮 / 車窗控制 / 電源模式管理等）；
整車整合單元 2：其中 MPU:360/APA 演算法，MCU:IO 接入。
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環乙太網架構系統控制外部裝置的原理
基於環乙太網架構的完全開放性，硬體介面的多樣性，此架構不僅能連線大多數車內模組，還可以直連外部裝置，所以可以有多種與外部裝置互聯的方法，下面介紹其中一種。
整車整合單元連線的車輛裝置中包含了車輛中大部分的無線通訊模組，如車載路由器。透過車載路由器，外部裝置可以接入整車乙太網絡，外部裝置只需要按照 TCP/IP 協議向車輛傳送 UDP 報文就可以達到控制車身的效果。外部裝置接入整車的方式如圖 2 所示：
圖 2 外部裝置接入整車方式
以機器人作為外部裝置的代表介紹圖 2 的控制原理。可程式設計機器人透過車載 WIFI 連線車輛無線網接入整車乙太網絡，按照 TCP/ IP 協議向車輛傳送 UDP 乙太網報文以達到控制車輛部分零件（上鎖、解鎖、開關燈等）。只要事先編好程式，讓機器人在進行不同動作時向車輛傳送對應的乙太網報文指令，在控制機器人完成指定動作時，車輛就會做出相應的操作，從而達到車輛與機器人的協同控制，再豐富機器人動作程式，即可實現機器人與車輛共舞的場景。
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結束語
多樣化的車輛使用場景使汽車的定義變得模糊，無論是單純地為了應付目前特殊的使用場景還是做到未來的萬物互聯，汽車將從一個簡單的交通工具演變成一個生態主體。依賴於軟體的開放性、硬體介面冗餘設計及標準化、以及整車整合單元的強大計算能力等，環乙太網架構為智慧網聯汽車的生態主體提供了可能。目前，在整車網路架構向中央式演進的過程中，環乙太網網路架構還剛剛處於萌芽階段，未來的架構將會更加智慧化與多樣化。
