以太网上汽车,确保实时性和故障安全性(下)

2012-08-20 20:28:12来源: 日经电子

提出用于控制系统的标准

  Ethernet AVB的现行标准虽然可用于信息系统,但要想用于控制系统在实时性和故障安全方面“有难度”(丰田)。因此,打算通过预定2014年以后完成制定的新一代标准加以改善(图8)。

 
图8:以用于控制系统为目标制定新一代标准
Ethernet AVB的新一代标准的目标是,确保可用于控制系统的延迟时间及可靠性等。例如,考虑使延迟时间在7跳点时为100μs以下。

  例如,丰田与瑞萨电子以及AVnu联盟的主要企业博通于2011年春共同将面向车载用途的要素汇总成白皮书提交给了AVnu联盟。

  该白皮书对延迟时间提出了3跳点、100μs以下的条件。白皮书的内容中,关于实时性已向IEEE802.1提案完毕,可作为“IEEE802.1Qbv”满足控制系统条件的技术已开始实现标准化。目前正以实现“7跳点、100μs以下”(瑞萨电子)而非3跳点、100μs以下为目标进行讨论注2)。

  注2) IEEE802.1Qbv预定在完成标准制定后成为Ethernet AVB的规格群之一。

  另外,Ethernet AVB的现行标准中“没有故障安全相关的规定”(瑞萨电子)。因此,首先计划加进针对故障安全的条件。比如,瑞萨提出了在7跳点网络中,当一个路径或一个端口发生故障时,在70ms以内恢复的目标。据丰田介绍,在白皮书中,宝马对故障安全,GM对实时性表示了关心。

在物理层实现成本削减和高速化

  在扩大车载用途的应用所面临的课题中,通过物理层解决导入成本和数据传输速度课题的动向日益活跃。

  导入成本中,线缆成本的削减成为焦点之一。目前的OBD用途是在汽车处于停止状态下与外部个人电脑连接进行故障诊断。此时采用像“5类双绞线(Category 5)”那样广泛普及的低价以太网线缆。

  而汽车的摄像头系统、影像传输系统、控制系统及主干网在汽车运行中也利用以太网,因此必须在车内布线。此时,“辐射电磁噪声之大是利用以往的以太网传输技术时想象不到的”(某汽车厂商),所以需要使用屏蔽线。这样的话,“不但成本上升,线缆也会变粗,由此导致安装空间和重量增加,不适合使用”(多家汽车厂商和电装品厂商)。因此,需要利用无屏蔽双绞线(UTP:unshielded twisted pair)传输数据。

利用1对UTP实现100Mbit/秒速度

  为解决上述线缆课题,从事物理层LSI的企业推进了开发。比如博通、美国迈威尔、美国麦瑞等。其中,先行一步的是博通。

  博通称,利用面向车载以太网开发的数据传输技术“BroadR-Reach”,在车载用途要求的数十m的传输距离中,能以1对UTP实现100Mbit/秒的速度。不但无需屏蔽,在实现100Mbit/秒的数据传输速度的同时,与普通的“100Base-TX”的2对信号线相比还能削减布线,因此得到了汽车行业的关注。

  BroadR-Reach之所以能利用1对UTP实现100Mbit/秒的传输速度,是因为在改变符号率之上,部分沿用了1Gbit/秒的“1000Base-T”的技术。

  100Base-TX和1000Base-T的符号率为125MSymbol/秒,而BroadR-Reach约为66.7MSymbol/秒(表2)。这是为了避免传输路径产生的电磁噪声频率与收音机广播频带的干扰。这样就无需屏蔽了。

  BroadR-Reach在实现100Mbit/秒的传输速度的同时,通信方式利用全双工方式,调制方式利用PAM(Pulse Amplitude Modulation:脉冲振幅调制),通过应用1000Base-T技术,削减了信号线。

  不仅是数据信号线,还削减了电源线,利用1对UTP可在传输数据的同时供电。现已可以利用1对线缆供给5W左右的电力。能够驱动一个摄像头模块。

加盟企业超过50家

  BroadR-Reach本来是“面向酒店等的网络系统开发的,而不是车载用途”(熟悉车载以太网的某技术人员)。数年前,因辐射的电磁噪声小等原因,宝马开始导入该技术。

  之后,宝马从采购的立场出发希望除博通外还能有其他供货支持BroadR-Reach的物理层LSI的企业,于是提议开发过CAN和FlexRay的物理层LSI的荷兰恩智浦半导体开发支持BroadR-Reach的物理层LSI。

  因此,宝马、博通和恩智浦等作为主导的“Promoter”,于2011年11月成立了普及促进团体OPEN Alliance SIG注3)。

  注3) OPEN Alliance SIG除了推进以BroadR-Reach为基础的物理层应用和确保相互连接性之外,还进行旨在制定标准等的讨论,目标是使其标准在IEEE实现标准化。另外,利用BroadR-Reach相关的授权费条件等需要与博通单独签约。

  在OPEN Alliance SIG设立之初只有数家的成员企业到2012年6月已经超过了50家。虽然此前一直以欧美企业为中心,不过现在瑞萨电子也作为Promoter加盟,2012年5月以后,本田及电装也加入其中,日本企业在不断增加注4)。

  注4) 丰田本着广泛采集优秀技术的方针,目前还未加盟AVnu联盟和OPEN Alliance SIG。

  在加盟企业增加的同时,各企业还在推进支持产品的开发(图9)。支持BroadR-Reach的物理层LSI方面,博通已经开始样品供货。而作为第二供应商,恩智浦以2014年初实现量产为目标,目前正在开发物理层LSI。


图9:利用BroadR-Reach的提案接连出现
OPEN Alliance SIG的成员企业相继提出利用BroadR-Reach的方案。例如,飞思卡尔半导体采用配备该公司BroadR-Reach MCU的摄像头模块试制了系统(a)。大陆公司利用BroadR-Reach构筑了车载网络系统(b)。照片均为“ESEC”上的演示。

以业绩为武器推进普及

  与BroadR-Reach对抗的,是面向OBD用途开发物理层LSI的迈威尔和麦瑞。两公司均计划以在OBD用途的业绩为武器,扩大在摄像头系统和信息系统中的应用。麦瑞半导体日本自信地表示,“以欧洲车厂商为中心,在OBD用途已经供货了数百万个产品”。

  另外,双方还强调,以IEEE标准的以太网为基础也是一大特点。迈威尔和麦瑞均表示,“因为是标准品,所以价格低”。

  为了从OBD用途扩大到信息系统等更加广泛的用途,迈威尔和麦瑞纷纷致力于可利用UTP实现100Mbit/秒数据传输的物理层LSI的开发。例如,麦瑞以2012年内实现产品化为目标。迈威尔也已经完成试制,“正由某大型供应商进行评测”(该公司)。

探讨1Gbit/秒传输速度

  要想普及车载以太网,还需要提高物理层的数据传输速度。目的是应对信息系统用途的数据容量增大,以及实现在车载LAN主干网的利用。首要目标是制定1Gbit/秒的标准。消费类产品使用的1000Base-T利用4对信号线实现1Gbit/秒的传输速度。直接将4对信号线用于汽车在成本和安装空间方面都比较难。

  因此,IEEE802.3的工作组正在讨论能够以4对以下的信号线实现1Gbit/秒传输速度的技术标准。那就是2012年3月成立的RTPGE Study Group。除了从事物理层LSI开发的博通、恩智浦、迈威尔及麦瑞等公司外,大型汽车厂商也加入了该工作组。

  估计最早将在2014~2015年之前确定该标准。至少在连接器、线缆及电磁噪声对策方面需要比100Mbit/秒的技术进行大幅改善。MAC层也“需要大幅改变”(恩智浦)。

  在为扩大车载用途的应用而解决以太网物理层和数据链路层课题的过程中,还出现了旨在提高车载以太网时代安全功能的动向以及开发中间件的举措。

  提高安全功能是因为,在利用以太网与外部产品轻松联动的同时,遭到非法访问的危险性也提高了。例如,由德国政府出资的项目SEIS(Security in Embedded IP-based Systems)除了IP车载网络的安全功能外,还包括中间件等的要求事项,目标是用于汽车软件标准平台规格“AUTOSAR”注5)。

  注5) SEIS的时间为2009年7月~2012年6月。

  日本方面,行业团体JASPAR内也于2012年4月成立了面向车载以太网应用的工作组。除安全功能和中间件外,还讨论了物理层和开发环境等要素。

  除此之外,还开始进行支持车载以太网的中间件开发及标准制定。例如,在AUTOSAR规格中,最新标准“Release 4.0”支持以太网和TCP/IP等。由汽车厂商等成立的车载信息产品行业团体“GENIVI联盟”也在制定信息系统的中间件。 

关键字:确保  实时  安全性

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0820/article_5848.html
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