简介

汽车技术正在飞速发展，曾经的科幻小说正在逐渐变成事实。智能手机连接系统、高性能娱乐系统、导航系统、交互式反馈系统、驱动响应性能系统 - 罗列这些先进技术的列表仍在不断延长。同时，在汽车中使用的各种软件变得越来越复杂 - 它们之间的联系也越来越紧密。

所有这些应用日益广泛的汽车软件致使带宽的需求量也有了相应的增加。随之，汽车制造商正在研发越来越多的基于计算机的系统、应用程序和相关连接设备。这些电子设备的成本 - 包括在布线，网络接口以及板载计算方面的成本- 正在增长。近代技术的发展成功使得以太网有机会应用于汽车，从而降低电子设备的生产成本。

据估计，到2020年，将有近4亿个汽车以太网端口投入使用。2022年，汽车以太网端口总数预计将高于所有其他以太网端口总数。

汽车以太网其实不仅仅局限于“豪车市场” - 有预测显示，绝大多数汽车制造商正计划将汽车以太网运用到所有种类的汽车上。虽然宝马公司（BMW）在该技术的运用上遥遥领先，但其他汽车制造商似乎也有奋起直追的势头。最好的证明就是，现代汽车在即将上市的汽车系统中使用汽车以太网作为其信息娱乐系统，以及大众汽车使用汽车以太网作驾驶员辅助系统。

实际上，绝大多数汽车制造商都在有意或无意中参与着汽车以太网的构建。他们以降低生产成本，提高生产效率、缩短产品上市时间等为目标，游走于各类行业组织、机构、以及各种发布测试结果和推行标准规制的场合。本文将讨论有关即将到来的汽车以太网革命的若干问题：

· 什么是汽车以太网

· 谁使用汽车以太网

· 为什么使用汽车以太网

· 如何测试汽车以太网

汽车中的电子设备按照功能被划分为“域”。传统意义上，这些每一个“域”都有其独立控制系统（无论是机械系统，电子系统还是计算系统）。现如今，虽然域与域之间有了频繁的交流，但它们仍然具有各自相对独立的计算控制系统。

要了解汽车以太网，就必须先了解不同的域以及它们对应的功能。

 动力传动系统（Powertrain）

动力传动系统是指给道路上的车辆提供功率的一组部件，其中包括发动机，变速箱，轴和车轮。但它还包括一些特殊的传感器和控制装置。这些传感器通过测量各种部件的流量，压力，速度，扭矩，角度，体积，位置和稳定性从而改善驾驶环境，减少污染，进一步提高效率和安全性。

现如今的动力传动系统由复杂的计算系统控制，可最大限度地提高功率和效率。例如，为了确保喷射到发动机中的燃料适量，压力传感器测量燃料压力 - 以精确控制喷射的时间。更复杂的例子是由计算机控制的发动机正时系统 - 通过控制许多传感器测量诸如进气歧管中的空气质量、燃料温度、发动机速度、加速器踏板位置和发动机扭矩等数据来控制气门正时。

动力系统计算机除了需要控制传感器读取精确的时间以及低延迟外（通常以微秒为单位），还需要快速并准确的控制各种从属控制系统（延迟通常也在几微秒内）。

底盘（Chassis）

底盘包括支撑动力系统的内部框架，以及除发动机以外的所有驱动部件 - 包括制动器、转向和悬架。与动力传动系统类似，底盘域的传感器和控制器具有精确的时序要求，并具有严格的最大延迟时间方面的要求。

舒适性（Comfort）

车身域包括暖气和制冷系统、座椅控制、车窗控制、灯等。

这些控制和传感器通常对带宽要求很低并且可以容忍高延迟（毫秒）。

驾驶辅助系统和驾驶员/行人安全系统

该领域包括协助驾驶员驾驶的系统以及提高驾驶员、乘客和行人安全性的系统。

驾驶员辅助系统包括诸如车载导航（GPS或类似物）、巡航控制系统和自动停车系统等部分。驾驶员和乘客安全辅助系统包括车道偏离警告系统、防撞系统、智能速度修正系统以及驾驶员疲劳探测和盲点检测系统。

另外，当新技术从高端车型开始并入主流大众的时候，驾驶辅助和安全系统领域逐渐成为了发展最快的领域之一。

这些系统通常拥有自己的传感器和专用计算机，能够实现与其他系统（例如动力系统，底盘和人机界面）交互流畅的控制。驾驶辅助系统虽然通常需要更强的计算能力和更快的带宽传感器通信速度，但它们可以将延迟处理在数百微秒以内。由于汽车中所需带宽量不断增加，寻求更加高速的接口替换这些笨重的宽带成了制造商们的当务之急（例如，宝马公司试图在其汽车中使用更多、分辨率更高的摄像机来制作观感更优良的环绕视图）。

人机界面（HMI）是汽车电子设备中促进人与其他电子设备之间互动的部分。该部分能以一种友好且可取的方式呈现来自其他域中计算机的信息，并且让驾驶员和乘客自由控制车辆和信息娱乐系统。

HMI域通常通过蓝牙、Wi-Fi或蜂窝网络连接到外部设备（例如GM的远程支持系统，OnStar，就是集成到HMI系统中的）。除了常用的功能以外，该系统还可以通过从其他域收集诊断数据来远程诊断汽车问题。

汽车制造商们正在致力于改进HMI，努力使其更安全，更直观，对顾客来说更具有吸引力（例如使用户界面更加的“游戏化”）。

HMI域除了在处理车辆内部不同部分的显示和控制时，内部部分之间需要彼此通信外，其本身通常也需要与车辆中的所有其他域通信。与驾驶辅助域类似，HMI域通常对带宽有着高要求 - 但可以容忍毫秒范围内的延迟。

以下是汽车中的典型线束：

汽车通信有多种专有标准，包括电线上的模拟信号，CAN，FlexRay，MOST和LVDS。每个车辆部件通常都有自己的专用布线和通信要求。

由于线束一次只能造一个，这种复杂的工序使线束成为汽车制造过程中成本第三高的部件（排在发动机和底盘之后），占汽车劳动力总成本的50％。

线束也是第三重的部件（同样排在发动机和底盘之后），且任何试图减轻这种重量的方案都会直接影响燃油的经济性。

 什么是汽车以太网？

汽车以太网是一种利用有线网络连接汽车内的各种组件的物理网络。它旨在满足汽车市场的需求，包括电气要求（EMI / RFI发射和EMC），带宽要求，延迟要求，同步和网络管理要求。

为了完全满足汽车要求，IEEE 802.3和802.1组正在进行多项新规范修订。

在规范通过IEEE之前，有一些临时规范由特殊利益集团赞助，例如：

• OPEN（单对以太网）组，作为多厂商许可解决方案，赞助Broadcom的100Mbps BroadR-Reach解决方案。这种100Mbps PHY实现使用1G以太网技术，在一个方向上通过一对（使用回声消除）实现100Mbps传输，使用更先进的编码将基频降至66MHz（从125 MHz），从而让太网能够满足汽车EMI / RFI标准。

• AVnu在IEEE 802.1标准化流程之前采用了音频 - 视频桥接标准。（更多标准详情可参加牛喀学城汽车以太网专题培训了解）

为什么直到现在才将以太网使用于汽车？

尽管以太网已存在超过20年，但由于以下一些限制，它并未被实际应用于汽车：

1.以太网不符合汽车市场的OEM EMI / RFI要求。100Mbps（及以上）的以太网有太多的RF“噪声”。另外，以太网也容易受到来自汽车中其他设备的“外来”噪声的影响。

2.以太网无法将延迟控制在微秒范围内，且只能在快速传感器和控制器的配合下才能正常运作。

3.以太网没有办法控制不同流的带宽分配，因此无法用于传输来自多种类型源的共享数据。

4.以太网没有办法同步各个设备之间的时间，并且无法让多个设备同时采集数据。

发展汽车以太网的驱动力是什么？

汽车中的电子设备变得越来越复杂，传感器，控制器和接口越来越多，带宽要求也越来越高，汽车中的不同计算机和域需要越来越频繁的通信。此外，线束复杂性、成本和重量的增加，也使得线束成为汽车中第三昂贵和第三重的部件。

现如今，由于存在多种不同的通信专有标准，每个组件也通常使用专用电线/电缆。通过转换到单一标准，可以实现来自不同组件的所有通信在某一以太网交换网络上共存，并能够使其从中央交换机到达汽车中的所有位置。

Broadcom和Bosch的一项联合研究表明，使用“非屏蔽双绞线（UTP）电缆以100Mbps的速率传输数据，以及更小，更紧凑的连接器，可将连接成本降低80％，布线重量降低30％。”

还有哪些其他技术进入了汽车制造业？

电子设备、计算机和网络系统在汽车制造中的表现出来的作用与日俱增。汽车不再是孤立、简单的系统 - 而是正在成为互联世界的一部分。电子设备、计算机和网络系统在汽车制造中的表现出来的作用与日俱增。

以下是与汽车网络相关的正在开发或部署的技术示例：

1.通过蜂窝或Wi-Fi连接进入互联网的“互联汽车”已经开始上市（产品售后市场也已存在相当一段时间）。这些系统不仅能访问实时交通信息，获取通信和视频流等;还能远程诊断和更新一些需要访问汽车内部网络计算机的固件。

2.V2V（车辆到车辆通信）将被用于汽车间的彼此协调。通过了解其他车辆正在做什么并获得有关车辆与其他物体间的关系，可以计算安全距离并采取规避措施。美国国家公路交通安全管理局预测，运用V2V技术，可以避免79％的目标车辆碰撞事故。

3. 安装“现实增强技术系统”的仪表板可以提供有关道路上物体的信息。驾驶员遇到一个物体时，汽车会将距离、大小等相关信息显示在挡风玻璃上。如果存在危险，则会出现提示，告诉您如何规避危险。这项技术也同样适用于乘客。

4.自动驾驶（智能）汽车已经能够在没有驾驶员的情况下安全接送乘客和货物。在加利福尼亚州和内华达州，谷歌的自动驾驶汽车已经累计在高速公路和普通公路上行驶了30多万英里。通过使用摄像头，雷达和激光，汽车可以比人类更快，更可靠地分析和处理信息。另外，这些智能汽车可以在行驶和停放时做出更合理的规划，从而提高道路和空间的利用率。在通用汽车，宝马和丰田相继公布了测试结果后，许多行业专家认为，2020年，自动驾驶汽车很可能会出现在汽车交易市场和道路上。

下图显示了从第1代到2020年（第3代）的汽车以太网预计发展进度。

汽车以太网现状

如今，以太网仅用于汽车诊断和固件更新。

100Base-Tx是以太网的的典型接口版本。虽然该版本的一些标准不符合汽车EMI的要求，但由于该接口仅用于汽车处于服务地点（非运动）时的诊断，因此该接口被允许使用。使用以太网进行诊断的汽车通常需要有RJ45连接器，来用于连接运行诊断软件的外部计算机。且由于其更快的速度，一些汽车固件的升级也常通过该接口完成。

 2015年的汽车以太网

2015年，多家汽车制造商将运用Broadcom的BroadR-Reach PHY技术（现在是OPEN联盟支持的公开标准）把摄像头（驾驶员辅助系统）与视频（信息娱乐系统）连接至以太网，以满足汽车EMI要求。由于支持所需带宽（MOST和LVDS串行协议）的技术很昂贵，导致以太网的出现成为摆脱这个窘境的绝佳机会。在此模型中，以太网只用于点对点链路，并且尚不可用作不同接口的共享介质（因此，单个链路仅用于连接到一个视频或摄像机）。

现如今，宝马和现代已经在一些车型中使用了这项技术。

 2020年的汽车以太网

到2020年，预计汽车制造成本的40％都会用于电子零部件的制造（目前约为32％）。并且，人们对安全性、娱乐性和通信功能技术多样性等方面的追求将会不断推动这一数值的增长。

到2020年，汽车线束将从专有（如CAN和MOST）的异构网络转变为分层的同质的汽车以太网网络（见下图）。在新模型中，交换式1GE汽车以太网将连接汽车中的所有域（这意味着以太网将变成一个共享媒体，可以通过控制开关使信号分流，从而让驾驶员和后座的孩子们都能看到想看的频道。）。

这种新的平行结构不仅有助于降低成本和重量，而且还能使汽车内（和汽车外）的不同系统更容易协调运作。

使能技术

综合利用多种技术使得上述新的汽车架构得以实现。而正是由于以下技术的结合才绘出了迈向未来的蓝图。

AUTOSAR (Automotive Open System Architecture)

AUTOSAR是一个开放的标准化汽车软件架构，由汽车制造商，供应商和工具开发商共同开发。AUTOSAR囊括了汽车中使用的汽车TCP / UDP / IP三大操作系统指纹识别功能。且汽车行业已经同意将AUTOSAR作为标准，让不同的制造商在应用该技术上竞争，而不是在标准本身上竞争。

此外，该标准允许多个设备在单个共享网络上无缝运行。AutoSAR的实施和导入技术可参加牛喀学城的AutoSAR导入实践课程学习。

One-Pair Ethernet (OPEN)

Broadcom开发了一个专有的PHY标准，BroadR-Reach，能以100Mbps（高达700M）的速度实现更长距离的铜质以太网连接。该PHY使用1GE铜缆技术，包括多级PAM-3信令和优化的编码（以减少电缆所需的带宽），并使用回声消除器来实现数据的双向传输。由于此标准中对带宽要求较低（约为27MHz带宽而100Base-T为62.5MHz），符合汽车EMI要求，Broadcom开始将其推广向汽车领域。

开放式sig的成立使作为单一供应商解决方案的BroadR-Reach成为一个获得许可的开放标准，并得到了汽车市场多数参与者的赞助。这项技术的内容现在可以在Broadcom、NXP和Freescale上看到。

业界专家意识到虽然100Mbps用于视频传输绰绰有余，但还不足以作为汽车的主干，因此，专业人士们在802.3（802.3bp）中创建了一个特别工作组，致力于定义汽车市场中15M双绞线的1G使用标准。新的PHY被称为1000Base-T1（1代表1对）。该型号或将成为未来生产同类产品的质量标杆。

以太网供电系统（Power-over-Ethernet）

使用PoE为设备供电可以进一步减少汽车所需的布线重量。IEEE 801.3bu（数据线上的单对电源（PoDL））工作组负责标准化PoE。更多以太网技术应用请参加牛喀学城培训课程。

节能以太网（Energy-Efficient Ethernet）

当汽车发动机关闭时，汽车的电气元件并非全部关闭。因电池容量有限，为了在发动机关闭时（或开启时）最小化功耗，节能以太网（EEE）可以在不使用时关闭网络。当发动机关闭时，那些根本没有必要开启的组件将被节能以太网完全关闭，而对于那些需要开启的组件，使用节能以太网可以让它们的功耗最小化。

时间同步（Time Synchronization）

汽车中的某些算法需要同时采样多个传感器测量的时间。由于这些测量是在不同的节点中进行的，因此需要将汽车中所有节点的时间同步到亚微秒误差以内。

IEEE 802.1AS（桥接局域网中时间敏感性应用的定时和同步）是选择同步定时的标准。该标准使用IEEE 1588 v2“配置”，并引入了更简单、更快捷的方法来选择主时钟。

时间触发的以太网（Time-Triggered Ethernet）

汽车中的许多控制装置需要将通信延迟限制在微秒范围内（以便控制器可以快速获得传感器读数或控制功能）。在传统以太网中，新数据包更新必须等到现有数据包下载完成（这可能需要数百微秒，即使在千兆位速度下），这显然不符合要求。

为了解决这个问题，IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）团队开发了一个系统，其中的高优先级数据包（称为Express数据包）可以中断现有数据包运行，并且，可中断数据包运行时可以多次中断以插入快速数据包。这些快速数据包可以保证延迟范围在单微秒以内。

AV桥接（AV Bridging）

IEEE 802.1音频视频桥接（AVB）任务组（现已更名为“时间敏感网络任务组”）正致力于定制符合以下要求的标准：

• 802.1Qat（流预留协议） - 一种简单的预约协议，用于通知路径中的各种网络元素，以保留特定流所需的资源。

• 801.1Qav（时间敏感流的转发和排队） - 树立规则以确保AV流在预留中在指定的延迟内通过网络。IEEE还标准化了IEEE 1722（用于桥接局域网中的时间敏感应用的第2层传输协议）和1733（用于局域网中的时间敏感应用的第3层传输协议）。这些协议使用时间（来自IEEE 802.1AS）以及最坏情况下的传输延迟来获得插入到数据包中的呈现时间。1733与RTP / RTCP一起使用，1722与IEC 61883和其他格式一起使用。

IP诊断

ISO 13400是汽车行业采用的一种标准，既可以用于读取汽车中计算机的诊断数也可以用于更新汽车中的固件。ISO 14229则定义了13400使用的服务原语。这些协议通过TCP / IP运行，既可用于专用诊断以太网连接，也可用于普通汽车的OnStar等空中升级系统。