现在对车用ee架构的变化路径看法大致上统一了。
代表性的是bosch的说法(引自佐思汽研发布《2019-2020 智能汽车计算平台与系统架构研究报告》智能汽车e/e架构研究:特斯拉遥遥领先,传统车企发力猛追):从现在的分散的以信息domain的系统过渡到强ecu的中心化域,再到跨domain的zone ecu。再下一步是计算中心与云。
与此对应,通信系统也有变化,要从can 过渡到can与以太网共存。
首先,演变中ecu的数量只是减少一部分,只有那些软件可以合并处理的ecu会集中到较强大的dcu(domain control unit)中去,那些传感器、执行器的ecu仍然会存在。ota是创新的商业模式:用软件选项和更新来分期赚钱,以及减少服务的开销,ee架构的变化使dcu的量减少,也使软件的集成变得容易,dcu的出现是为了便于ota的实现。在这个前提下, dcu、传感器ecu、执行器ecu都要预留更新升级的能力,它的硬件成本会因部分合并的mcu及其供电电路量会减少;但单个mcu处理任务的增加本身就要求芯片算力(速度、容量)的提升,加上软件复杂性增加、需要增加软件的中间层次也使它提高了mcu算力的要求,它们的成本便不会降低。传感器、执行器ecu会增加更多的自诊断能力,以便功能安全的处理方法增加选项,减少无效维修的成本。这些诊断信息要及时上传。车厂的竞争力在于性能,ee架构的变化也是以性能为第一位的,降低成本是第二位的。
许多人认为用以太网既可提高网速又可降低成本,可以在车控系统中代替传统的can总线,所以在ee架构中全用以太网,但是以太网在车的电磁环境中的用法是有疑问的:铜双绞线以太网在应用上遇到了困难,第一个吃螃蟹的bmw遇上了emc问题,几乎不得不推迟新车档期,使后继者望而生畏,这几乎是血的代价,非常值得我们警惕。
如果过渡到塑料光纤以太网,干扰和带宽可以解决。据新的消息,kdpf现在已经有25g的产品了,它几乎是can的2500倍带宽,但是塑料光纤以太网的成本也是非常高的:例如普通电信光猫的收发器是rmb 50~100元一对(以太网是交换机,每个节点要一对接口)。而nxp的can收发器tja1044是rmb1~3元一片。考虑到can应用中除收发器外还要其他的电路保护器件(如tvs、滤波电容、共模电感等),使用塑料光纤以太网的成本仍然要can的10倍以上,这是新ee架构的巨大障碍。
因此昂贵的塑料光纤以太网只能用于非常必要的场合,例如adas dcu和几个强计算能力的dcu或zcu(zone control unit,例如tesla的4个区域控制器),以及某些程序量大的专用ecu。can在局域子网中依然需要,新的ee架构中dcu-ecu的can 2.0局域网中之间的通信需求也不会减弱。
这里就涉及2018开始的can xl 协议与can 2.0在新ee架构中的定位问题。can xl 是bosch要推出的新协议,它的主要目的是能摆渡(tunneling)以太帧(数据区达到2kbyte)。同时对错帧漏检的can 2.0、can fd的功能安全不够格的老问题作一次改进,例如增加了头部区的crc检验。为了改善信号波形,物理层也改变了:数据区高速传送时采用的是正负电压差表示0/1(can 2.0采用的是正电压差和0表示0/1)。因此can xl是无法与can 2.0或can fd同时工作的。
在新的ee架构中,大程序的dcu或zcu、专用ecu基本上都是强大的cpu或mcu,它们已经配置了塑料光纤以太网,以满足其实时控制的需要,进行ota时不需要再摆渡,即不需要can xl。
而对于与dcu或zcu相配的局域网中的传感器、执行器ecu,它们的程序小得多,ota的时间是很小的,但是从can2.0改到can xl涉及很大的成本:所有原来的产品要一同更新,包括安全认证。所以局域网中用can xl经济上是不合算的。
另一方面,如果ee架构过渡到dcu或zcu时,对应的can局域网总线的长度可以缩短,例如总线长8m=40ns,收发器loopdelay=150ns(现有水平最好为120ns),那么can 2.0的位时间可用到500ns,如果mcu芯片设计使can 2.0可工作到3mbps ,使用已有的高速收发器(原来供can fd用的,可达到5~8 mbps),那么在局域网中便可以直接用can 2.0达到2~3mbps,总线不需要用canfd协议了(错帧漏检仍达不到要求的),也不会遇到can fd因变速带来新的问题(各生产厂慢速部分采样点设定不同造成切换出错时初始相位差)。新ee架构不仅使线缆的长度减少,同时局域网can 2.0总线的实时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,其型号是cy90950:
因此ee架构的变化没有给can xl留下足够的市场空间,相反,如果在can 2.0的基础上作功能安全的改进,改掉can的4个功能安全隐患(eof6设计造成的节点间不一致接收、等效离线故障、毛刺引起的优先级倒置、比设计大几千倍的错帧漏检率),加高can ip的工作速率,同时增大数据部分的到18字节,以满足增加信息安全防护的需要,例如ecan,会有很好的市场预期,也是国产mcu厂超车的好机会。
塑料光纤以太网的光电转换部分信号能级是非常小的(1nw级),是否能抗得住来自电源的高频(与信号ghz相同)传导干扰,或者说能否设计好抗干扰的电源,尚有待观察。因此仍然要考虑出错可能,特别是局部干扰造成的出错。ee架构改变之后,用以太网传送功能安全需要的信息,特别是需要分享的信息,需要特别关注数据的一致性。以太网用交换机分送到各节点,很难达到数据的一致性,例如送到轮1、2、3、4、v2x是刹车,送到v2x的刹车信号出错了,就会使后车追尾,那么这个信号如何告诉到所有节点并加以纠正,将是十分费时且软件复杂的工作,不像can用那种总线报错帧那么容易、及时。好在塑料光纤以太网的高传送速率可以采取时间上的冗余:关键信息传送3次,3中取2的表决方法,就不用报错过程了。
实际上可以期待通过以太网交换机将关键信息传到dcu或zcu,处理之后通过子can 2.0总线去执行,例如adas的处理结论要刹车还是转向。还可以设想adas中产生的车速、姿态数据也可以传送到相关的dcu去,例如用它们来代替eps中推算出的车速、姿态数据,从而更精确,也可以与eps用的加速度传感器互为冗余。由于计算判断部分已集中到dcu或zcu,所以这些信息不用转发到can 2.0局域网中。
ecu中的信息,例如真实轮速、转向角度、刹车力度、ecu的健康状态、子can 2.0总线健康状态也是关键信息,如果想在更高层次上作fail-operational冗余,它们也需要在塑料光纤以太网中交换。
新ee架构中的通信(塑料光纤以太网和can 2.0局域网)主要不是为了省钱,而是提供更多的带宽,提高车的安全性能。而安全是车的命根子,改进can也是mcu厂可以给他客户的礼物。
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