正在迫近的新型车载网络

        技术发展的要求使得将来汽车网络的架构是由高度集成的域控制器来构建，这些域控制器由高速的系统总线互联。业界的趋势显示以太网将取代CAN成为骨干网。FlexRay、CAN、LIN将继续在子网络中将智能节点连接在一起。这种高度互联的网络架构需要强大的域控制器。
图1显示了一个典型的由若干域控制器(DomainController)组成的车载网络结构。该车载网络以高速以太网作为骨干，将四个核心域控制器(动力总成、车身及舒适系统、底盘系统、信息娱乐)连接在一起。每个域控制器在实现专用的控制功能的同时，还提供强大的网关功能。这种基于域控制器的架构终于彻底颠覆了传统的车载网络中ECU到ECU的点到点通信方式。如在车身及舒适系统域内部，各部件通过CAN、LIN沟通。在需要与其他域交换信息时则经由网关、以太网路由。这些域控制器不仅需要强大的实时处理能力，还必须同时拥有丰富的通信接口。



        
高速车载网络的技术趋势
新的诸如基于视频的泊车、车内电视及驾驶辅助系统等应用需要大量的程序及数据空间。例如一个高端车系列已经具有了超过1GM的嵌入式存储空间分布在超过100个ECU中。随着ECU的数量以及嵌入式存储器容量的增大，网络的带宽也需要随之增大许多。以下列举三个突出的技术发展要求。
以太网
随着数据容量、嵌入式存储器和域控制器架构的发展，车上需要新的高速互联接口。由于已广泛使用，以太网是一个明显的选择并已经在量产的车上采用。起初，以太网用作高性能的网络诊断，或者在车厂或维护中心用于软件下载。随着更多OEM开始使用，就产生了相应的ISO/SAE标准，将以太网用作诊断OBD接口。现在以太网已经在环视系统中采用了。这也在很大程度上归功于低成本而又满足EMI性能的非屏蔽双绞线的采用。以太网用作车载骨干网是很适合的，主要原因是：
●增加了带宽选择；
●在保持低EMI条件下采用低成本的非屏蔽双绞线；
●以太网是技术及市场成熟的网络架构；
●已经有很多有经验的技术开发者；
●容易与消费电子集成；
●有许多供应商提供软件和硬件；
●有许多低成本甚至免费的工具。
对高速并可扩展带宽的需求是采用以太网的重要动因。在非汽车应用中1GB甚至10GB带宽的应用已属平常，汽车网络的带宽相对滞后了。
以太网另一个强劲的优势在于其生态系统，已经有大量成熟的开发人员、软件、工具、供应商和实际应用的经验供汽车上的应用采纳和参考。再加上以太网已经在一些车型上开始量产使用，可以预见将来用量会激增并成为域控制器之间互联使用的车载骨干网。ENET从技术上也已经完全支持音视频桥接(AVB)标准，满足AVB的业务质量需求。AVB中的网络多线程能够将不同的通信类型在硬件上独立开，使得软件驱动更加有效，从而显著降低CPU的负载。网络多线程和流量成型技术还能够容易地将不同的通信任务分离，以保证高优先级的数据总是得到及时传送。例如在一个域控制器中将车身控制和网关的功能集成在一起。车身及网关的数据可以通过分解通信多任务来共享同一个MAC。这有助于最重要的任务(如网关)总是能够得到足够的网络带宽。
CANFD及其它通信接口
将来MCU中的Flash的容量显著增大，这导致量产时烧写和维护的时间相应延长，从而增加成本。同时更加复杂的ECU之间的通信数据量也会增加。这些都需要显存网络的带宽增大。此外，由于诊断和骨干网采用了高速的以太网，那么相应地需要现有CAN2.0网络的带宽也要增加，即在保护业界已有投资的同时也能适应高速网的需要。这就催生了CANFD(ISO11898-7)协议：灵活速率的CAN。CANFD允许波特率达到8MB/s，每帧的净荷达64字节。当CANFD采用大净荷配置时，其速率可达CAN2.0的6倍。
智能及高集成度的执行器和传感器通过各自的网络交换信息。许多车身电子节点通过CAN或LIN通信。通信延时、带宽及成本都是影响选定特定接口的因素。除CAN、LIN之外，在动力总成和底盘安全系统中SENT和PSI5接口也在不断增加业界的兴趣，能为将来的网络降低成本。例如PSI5与LIN相比将3线通信降为2线通信。尽管有很多新的网络协议会在车载网络通信中采用，CAN、LIN节点的数目仍然会显著增加。据StrategyAnalytics预测，到2018年LIN节点会超过10亿个，而CAN节点会超过20亿个。而每部车的LIN节点数约为10个，CAN节点数约为20个。LIN节点的年复合增长率会明显高过CAN，达到13%。
整车软件刷新(Vehicle Reflashing)
整车应用软件的刷新及重新编程是汽车电子的一个前沿方向。传统车上软件的刷新需要在严格管理的车厂或者是在例行的维护条件下进行。而将来整车软件刷新将扩展到诸如提高用户的便利性、无线软件升级等方面。现代汽车上可能具有达到50MB的嵌入式Flash分布在很多MCU上(这还不包括信息娱乐系统或多媒体系统)。OEM希望有安全、保密、方便、可靠的方式来更新软件。面对的技术挑战可能有：
●安全性：新的软件不能造成任何系统误操作；能够恢复到先前可靠的软件版本；
●安防性：软件升级过程中不能被劫持，或有任何非授权的升级；
●透明性：软件升级对用户如驾驶员的影响最小。
车厂还可能需要在车辆运行时升级软件，或者下载一个软件版本使得车辆处于安全模式(如存储非运行状态)。
        
面向域控制器的多核车身MCU
面对车载网络发展的需求，需要全新高性能的MCU。飞思卡尔的MPC5748G正是面向此类应用的系列微处理器。MPC5748G在具备高强性能的同时，又拥有丰富的通信接口(如100M车规以太网接口)和灵活的低功耗模式。片上的FlexCAN3采用灵活的缓冲配置机制，能够同时交织地支持CAN2.0和CANFD。MPC5748G具备专用的特性来满足整车软件刷新的要求，如能够接受存储程序映像，并将映像分发到其它相关的节点。MPC5748G非常适合作为高级的中央网关处理器、高端的车身域控制器，甚至兼备网关和域控制器的功能。
MPC5748G配备了2个主频为160MHz的Power Architecture的e200z4内核、1个80MHz的e200z2内核、6MB的Flash、768KSRAM。除了灵活的低功耗模式外，还配备了硬件加密模块(HSM)，其性能超越了HIS(Hersterller Initiative Sofeware)的SHE(加密硬件扩展Hardware Secure Extension)的要求。不仅如此，作为飞思卡尔Safe Assure项目的重要产品，MPC5748G的开发符合汽车功能安全标准ISO26262，适合至少ASIL-B级别的安全应用。由于有针对性的多核设计，MPC5748G特别适合在单个MCU中同时支持多个应用。高度独立的内核及其相关资源使得应用软件能够容易地隔离开。MPC5748G允许将一个内核及相应的片内外设和存储器资源配置给一个应用，而将剩余的资源分配给另外的完全独立的应用。为了便于在复杂的制造环境中管理多个版本和控制成本，需要在相同的硬件平台上可配置地使能相应的特性集合。应用软件层面隔离的另一个显著优点是能够便捷地集成许多独立自治运行的第三方软件。图2给出了MPC5748G的软件应用示例。在这个例子中，单个MPC5748G可实现两个独立的功能：



●实现经典的汽车软件开放架构(AUTOSAR)和车载网关功能；
●配置专有的存储器及外设资源；
●与IP功能独立，但能与其安全有效地通过中断和共享内存来交换数据IP联接;
●联接到整车网际以支持如车内分布式Flash下载；
●使用一个专有的e200z4内核。有独立的RAM、Flash、OS、Watchdog及系统资源。
小结
基于域控制器的高速互联是车载网络发展的趋势。技术的发展需要采用全新的网关域控制MCU。域网关MCU应该具备高性能、多核、丰富车用互联接口和加密通信等特性。