僅僅在一代人的時間裡,電子技術和處理器技術便幾乎就已經改變了我們生活中的所有方面——在車輛工程上最為顯著。電子元件、軟體和處理能力的範疇日益擴大,不僅改變了車輛的運作方式,還改變了我們對車輛的看法——車輛現在更像是行動的電腦,而不僅僅是機器。

根據麥肯錫(McKinsey & Company)的一份報告,在2010年到2016年間,現代汽車中軟體程式碼的列數(SLOC)已經增加了15倍,從1,000萬列發展到了約1.5億列。預計軟體在車輛整體內容中的平均份額將以11%的年複合成長率增長,從當今D級車或者更大型汽車的10%(約為1,220 美元)增至2030年的30%(5,200美元左右)。

要處理形形色色的感測器所產生的大量資料,必須具備強大的運算能力、巨大的頻寬和速度,從而滿足車輛日益網路化與自動化的要求。5G行動網路連接的目標,就是將我們周圍的萬事萬物全部互連到一個資料網路,該網路必須達到所需的速度與回應時間,從而完全的發揮自動駕駛汽車的各種功能。

半導體公司目前正在開發新型的微處理器,能夠為多區域車輛架構(圖1)實現高達10Gbps及以上的高頻寬資料傳輸速率。這就會將車輛從行動的電腦轉化成車輪上的資料中心,並且讓自動駕駛汽車能夠即時做出複雜的決策。

20190704TA71P1 圖 1 新型微處理器透過多區域車輛架構可以實現高達10Gbps及以上的高頻寬資料傳輸速率。(圖片來源:Molex)

汽車乙太網路的興起

隨著現有的汽車網路已經不足以應對未來汽車的各種需求,乙太網路現已興起成為高速資料傳輸的一種最重要協定。對資料速率的需求正在不斷的攀升,愈發提升了多層安全措施,以及無縫連接起軟硬體和互連佈線系統所需的各種介面的重要性。乙太網路是一種成熟、穩定而又久經考驗的技術,可以提供極高的速度與安全性,從而成為了一種標準。然而,與大多數傳統上的乙太網路應用相比,車用的乙太網路架構必須能夠在車輛中的惡劣條件下良好工作。如此一來,這類網路就必須要更加的穩健,因為它們要接觸到極端的溫度、濕度、水分、振動和衝擊,並且還必須能夠耐受極大的電磁干擾(EMI)。

走向多區域

將車輛的電子元件和電子設備分佈到多個區域中,可以使CAN和LIN之類較老一些的汽車通訊協定,以及各種新的標準整合到基於乙太網路的車輛架構之中。私人網路關可以構成原有的ECU設備與發展中的車載乙太網路路之間的介面,便於形形色色的協定通訊方式融入到更大規模的乙太網路架構當中。它們可以聚合起感測器資料,然後轉發到一個或多個進階駕駛輔助系統(ADAS)/自動駕駛(AD)感測器,在其中做出決策並將相應產生的車輛指令透過高速網路傳輸到各個區域的閘道。在那裡,閘道會將指令透過乙太網路或原有的網路轉發到控制單元。

安全是第一要務

各種各樣的感測器,例如雷達、光達(lidar),以及高解析度攝影機等等,都在不斷的收集有關周邊環境的資料,並且透過乙太網路連接到閘道。車輛工程師將會依靠時效性網路(TSN)來實現域間通訊並滿足即時的要求。TSN可以確保為網路流量劃分出所需的優先順序,使得至關重要的各種安全性功能不會被資訊娛樂系統方面的資料流程之類的其他活動所阻礙。

在後視攝影機的例子中,一個檢測到物體阻擋車子的訊號會透過100MB的乙太網路線纜發送到閘道。閘道將所有的引入資料聚合到一個大的資料流程中,然後利用10GB的乙太網路鏈路即時發送到ADAS/AD伺服器。在那裡,軟體會對來自後視攝影機的訊號做出決策。然後,將向制動控制單元發送一個制動指令,該單元就會相應的啟動制動器以使車輛停下。後視攝影機的訊號轉發會優先處理,這樣關鍵的功能就不會被非關鍵的網路流量所中斷。

多區域閘道控制的概念採用了冗餘來建立起自動防故障的功能性網路,從而達到所需的極高安全性。

能夠在車輛的總壽命期間提供訊號完整性的插頭和插座連接器和線纜,對於高速網路連接的可靠性來說,是一個決定性的因素。可靠性不得受到EMI或者熱過程的影響。

新的技術可以將感測器資料、控制資料和資訊娛樂系統資料與整合的多區域冗餘和重視時效的網路(TSN)功能結合到一起,從而完成這項艱巨的任務,使可靠性提升至最高程度。採用設備認證的多層安全方法可以確保滿足車輛製造商提出的嚴格安全要求。

預計汽車乙太網路將「崛起成為汽車的支柱」,然而,根據麥肯錫的說法,對更高速度的需求也在不斷的增長,並且未來的網路系統將以這些不斷提高的速度為發展方向。自動駕駛汽車網路(NAV)聯盟和OPEN聯盟之類的組織正在使產業的領導者們攜起手來,促進下一代多GB級汽車乙太網路路的發展與使用,因為這種技術很有可能代表了車載連接和V2X連接的未來。

參考文獻

https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/rethinking-car-software-and-electronics-architecture