汽车电子专业知识篇（二）-汽车以太网如何影响ECU和传感器设计
概述
汽車以太網(wǎng)不是一項新技術(shù)。但在幾年前，它卻很新，以至于沒有人知道它是否可以集成到汽車中。
雖然，搭載車載以太網(wǎng)技術(shù)的汽車已經(jīng)量產(chǎn)，但是，關(guān)于車輛 ECU 和傳感器如何受該技術(shù)影響的問題仍然存在。本篇文章，博主分享一下汽車以太網(wǎng)如何影響 ECU 和傳感器的硬件部分。
在硬件方面，我主要討論 PCB、 PCB 上的芯片、連接器、電纜以及不同的芯片、微控制器、DSP等。接下來我們對不同的硬件組件進行一個概述。
為了更好地理解不同組件的硬件架構(gòu)（ ECU 和傳感器）如何受到汽車以太網(wǎng)的影響。這里定義了一個具體的應用程序示例，使我們能夠更好地了解整個故事的開始以及該應用程序如何影響車輛 ECU 和傳感器的硬件架構(gòu)。
將基于帶有汽車以太網(wǎng)的高級駕駛輔助系統(tǒng)，對整個車載網(wǎng)絡(luò)進行了概述。
圖1 帶有汽車以太網(wǎng)的ADAS
一般在ADAS系統(tǒng)中，主要有三種類型的傳感器——用于視覺的攝像頭傳感器、用于距離檢測的雷達傳感器和用于道路上不同物體大小的激光雷達傳感器。我們可以使用不同的以太網(wǎng)技術(shù)，用于將這些傳感器集成到 ADAS ECU。
ADAS實際上是負責處理來自不同傳感器的所有數(shù)據(jù)的感知過程，并決定由哪個 ECU做出關(guān)于車輛運動控制的決定。因為這是將要做出的決定，例如，如何控制車輛的制動系統(tǒng)、車輛的動力系統(tǒng)以及車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，所以ADAS ECU實際上是高級輔助駕駛系統(tǒng)的大腦。
這意味著如果司機在開車，當司機犯錯時，ADAS ECU 將負責糾正這些錯誤。例如，如果司機忘記剎車，如果前方有障礙物，ADAS ECU 將檢測該障礙物，然后執(zhí)行車輛運動控制，使車輛能夠及時剎車，以避免與位于車輛前方的障礙物發(fā)生碰撞。
ADAS ECU 上的傳感器
接下來我們來看看傳感器。正如已經(jīng)說過的，我們擁有三種不同類型的傳感器。對于視覺，我們有攝像頭傳感器。攝像頭傳感器是為了檢測物體，將圖片發(fā)送到 ADAS ECU，后者將執(zhí)行圖片識別和處理算法，以便準確檢測環(huán)境中的物體，道路上的物體，車輛路徑上的物體。
其實最重要的是攝像頭傳感器會檢測到對ADAS ECU有用的物體。所以我們在前部有一個攝像頭，在右側(cè)和左側(cè)也有一個攝像頭，在后側(cè)還有一個攝像頭，用于提供車輛的全景視圖，這是一個關(guān)于 ADAS ECU 的過程。
我們在車輛頂部還有一個攝像頭傳感器，以便檢測道路上很遠距離的物體。這可能是距離很遠的小物體，可以通過攝像機傳感器的視頻檢測到。我們也可以有寬視野傳感器，以檢測交通標志等，或道路上的一些行人。
這里只解釋了一個傳感器，但實際上，車輛上的這個位置可能有多個攝像頭傳感器。
除了視覺、檢測模式之外，我們還有負責距離檢測的雷達傳感器。通過天線發(fā)射毫米波等，在障礙物上反射后，反射波會被雷達預處理，并檢測不同的位置并將其放入傳輸?shù)?ADAS ECU 的以太網(wǎng)幀中。從而可以訪問、評估和分析該車輛與其他車輛或其他道路參與者之間的距離，從而幫助 ADAS ECU 做出有關(guān)車輛運動控制的正確決策。
這就是為什么大多數(shù)時候我們在同一輛車上安裝不同類型的雷達傳感器。為了在車輛上具有不同的感應能力，我們有遠程雷達傳感器、中程雷達傳感器以及短程雷達傳感器，具體使用哪種傳感器，取決于將要檢測到的內(nèi)容。
所以，在圖1中，我們在前面有兩個雷達傳感器，一個在右側(cè)，另一個在左側(cè)。并且在后部也有相同的配置，而且在中部，我們也有相同的配置。當然這只是一個例子，實際設(shè)計時，取決于要在車輛中實現(xiàn)的功能和功能要求來配置雷達傳感器的數(shù)量及位置。
當我們談?wù)撟詣玉{駛，那么我們需要更多的傳感器，甚至可能是兩個 ADAS ECU。在這里，我們僅談?wù)擇{駛員輔助系統(tǒng)，以便對網(wǎng)絡(luò)的外觀進行概述。
我們還有基于點云的激光雷達傳感器。激光雷達傳感器可以評估或測量道路上不同物體的體積大小。ADAS ECU 也需要這些信息，以便能夠了解道路上正在發(fā)生的事情、當前情況、駕駛情況道路等，從而相應地控制車輛。
因此，激光雷達傳感器可以位于角落，例如在圖1中，在兩個角落，在右側(cè)和左側(cè)。右左兩個角的后部也是相同的配置。
我們在需要在車輛中安裝不同的傳感器集群，并向 ADAS ECU 發(fā)送不同的數(shù)據(jù)類型。接下來我們談一下傳感器和ECU之間的連接以及這樣的星形拓撲，有些人稱之為樹拓撲。
汽車以太網(wǎng)的優(yōu)勢之一是使用不同的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就是為什么這里使用不同顏色來區(qū)分數(shù)據(jù)速率的原因。不同的傳輸速率使汽車以太網(wǎng)技術(shù)的擴展性非常強，以滿足處理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)的需要。
圖1中以棕色表示1000 BASE-T1 技術(shù)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以每秒 1 Gb 的速率傳輸。藍色表示 100 BASE-T1，表示以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以每秒 100 Mb的速率傳輸。所以我們這里有不同的數(shù)據(jù)速率。
這種不同的數(shù)據(jù)速率也會對 ADAS ECU 的硬件架構(gòu)產(chǎn)生影響，這也是為什么我們需要了解網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的原因。ADAS ECU 如何設(shè)計，取決于該 ADAS ECU 如何連接到集群中的其他組件。
而且，網(wǎng)絡(luò)也會對攝像頭/雷達/激光雷達傳感器的硬件架構(gòu)產(chǎn)生影響。接下來我們談?wù)勊褂玫囊蕴W(wǎng)技術(shù)如何影響硬件架構(gòu)。
傳感器?& Eth
概述
我們將直接進入 ECU 和傳感器的硬件架構(gòu)，我們從雷達傳感器開始。如圖2所所示，這里的雷達傳感器由兩個主要芯片組成。
圖2 雷達傳感器硬件架構(gòu)
上圖是雷達傳感器硬件架構(gòu)的一個整體視圖，包含雷達ASIC以及微控制器。當然，微控制器可以是 DSP，也可以是FPGA 之類的東西。但在這里我們僅展示這種組件硬件架構(gòu)之外的邏輯。
圖2中的雷達ASIC是專用集成電路，該電路肯定連接到天線，天線負責發(fā)射雷達無線電波，也負責接收反射無線電波，這里的波都是電磁波。
當電磁波到達雷達 ASIC 時，會被轉(zhuǎn)換為電信號。這些電信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且在傳感器檢測到的位置之前，有一個預處理機制在雷達 ASIC 中運行，然后將數(shù)字信號通過 SPI 接口傳輸?shù)轿⒖刂破鳌?/p>
檢測和測距
接下面我們看一下檢測和測距和過程，結(jié)果數(shù)據(jù)會發(fā)送到目標控制器。微控制器通過SPI接收的數(shù)據(jù)可以使用 DMA 來存，以節(jié)省CPU資源的消耗，SPI 控制器可以直接將數(shù)據(jù)存儲在 DMA 中。
當無法將數(shù)據(jù)存儲到存儲器中時，CPU 應該參與啟動過程。這意味著這里應該使用中斷控制器來阻止 CPU 執(zhí)行當前正在執(zhí)行的操作。以便 CPU 將到達的數(shù)據(jù)存儲到運行內(nèi)存中，這取決于應用程序、CPU的速度以及CPU 的負載情況。這里想說明的是，可以使用不同的方式（?DMA 或 RAM 存儲器）來存儲來自雷達 ASIC 的數(shù)據(jù)。
需要說明的是，當使用存儲數(shù)據(jù)的運行內(nèi)存時，SPI 控制器將向中斷控制器發(fā)送中斷請求，然后中斷控制器會發(fā)送一個電信號來停止 CPU，這樣CPU就會運行相應的中斷服務(wù)程序，它實際上是存放在閃存中的。
當準備好位置數(shù)據(jù)時，它會發(fā)送到 MAC，這就是跟以太網(wǎng)相關(guān)的地方，MAC 是主要的訪問控制器。我們有很多關(guān)于 MAC 地址等的信息。MAC 地址實際上是物理地址，以便為以太網(wǎng)控制器尋址。所以我們這里的 MAC用于負責構(gòu)建以太網(wǎng)幀。
MAC 控制器將向 PHY 發(fā)送以太網(wǎng)幀，PHY 實際上是收發(fā)器。和CAN做比較的話，那么MAC就是控制器，PHY就是收發(fā)器，類似于CAN通信的控制器和收發(fā)器。
我們這里將以太網(wǎng)具體分離為 MAC 和 PHY 以及 MII 接口。MII接口是一個獨立接口，不依賴于所使用的具體以太網(wǎng)技術(shù)。如果在這里使用光纖，那么從一個連接器（圖2左側(cè)）到另一個連接器的話，這個接口將不依賴于另一個接口，它將始終是相同的接口（MII 接口）。
這意味著 MAC 上發(fā)生的一切并不取決于 LAN 的外觀，例如，電纜的外觀、連接器的外觀等等。它并不真正依賴于所使用的真正技術(shù)。MII接口取決于Bit的速度，數(shù)據(jù)傳輸速度，該速度取決于數(shù)據(jù)在 LAN 上傳輸?shù)乃俣取?/p>
將以每秒百兆位的范圍傳輸，這里使用的 MII 接口應該能夠以每秒百兆位的速度傳輸數(shù)據(jù)。
PHY
我們有一個物理層PHY，PHY 用于保留永恒幀，然后 PHY 會放置一些裝備，例如前導碼等，以便與接收器同步。然后這個 PHY 也將負責Bit的物理編碼，這些Bit將被轉(zhuǎn)換成模擬電信號，然后向下傳輸?shù)?LAN。
這里我們有一個主要的依賴接口，即依賴于以太網(wǎng)技術(shù)的電路，用于傳輸數(shù)據(jù)。這個主要的依賴接口實際上是一個普通的接口。比如共模扼流圈等。
共模扼流圈用于簡單地抑制電磁干擾或噪聲，最重要的是，還可以使用一些過濾器來積極過濾信號。這可能會在 MDI 中實現(xiàn)，具體取決于信號傳輸?shù)念l率。
連接器
圖2中有連接器。連接器在此處顯示兩個引腳。表示一個帶有兩個針腳的連接器，以太網(wǎng)正負號，以及每根雙絞線的信號。這里可以使用多種類型的連接器，例如用于處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫p絞線的磁性連接器。
如圖2所示，我們使用全雙工通信，這意味著發(fā)送器（即與 ADAS ECU 相連的雷達傳感器）可以傳輸電信號，而其他 ECU 也可以將其信號傳回。
因此，我們可以在同一條線路上進行反向定向通信。需要注意的是，這里沒有電纜屏蔽，每根單絞線用于每秒 100 MB 的數(shù)據(jù)傳輸，這是以太網(wǎng)上 100 BASE-T1 技術(shù)的典型示例。
除了我們在這里看到的 MAC、 MII 接口、 PHY以及MDI 接口連接連接器和電纜外，剩下的基本都取決于與以太網(wǎng)無關(guān)的傳感器技術(shù)。
ECU & ETH
ADAS ECU 概述
如圖3所示為ADAS ECU，圖中有攝像頭傳感器，所以可以傳輸圖片或視頻數(shù)據(jù)。圖3中還有一個接口，這里放的是PCIe控制器接口，因為PCIe接口可以更快地傳輸大數(shù)據(jù)。與雷達傳感器相比，攝像頭的數(shù)據(jù)量大很多。
圖3?ADAS ECU
成像儀實際上是將光轉(zhuǎn)換為電信號，而這種電信號也轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣信號就可以被微控制器處理了，此處存儲數(shù)據(jù)的情況也與雷達傳感器解釋的情況相同。在這里，我們也看到了到 ADAS ECU 的傳輸和 LAN，我們也有與雷達傳感器相同的組件。
但在需要注意的是，我們以每秒 1 Gb 的速度傳輸數(shù)據(jù)紅色全雙工。實際上，這意味著 MII 在 MAC 和 PHY 之間的干擾具有每秒1 Gb的數(shù)據(jù)速率。我們已經(jīng)看到，對于雷達傳感器，此處的 MII 接口應具有每秒 100 Mb的數(shù)據(jù)速率。還應該在 MII 接口上將 MAC 和 PHY 之間的數(shù)據(jù)速率縮短一半。
上圖中，我們看到它比傳感器架構(gòu)復雜得多。在 ADAS ECU 上會有不同的芯片，有一個以太網(wǎng)交換機、一塊PCB以及微控制器。它可能是一個 DSP，也可能是一個 FPGA。
連接器與交換機
我們有第一部分，包括連接到我們擁有的傳感器的連接器。我們還有另一部分負責通過微控制器進行數(shù)據(jù)處理，它是位于微控制器芯片中的 CPU。該 CPU 將運行傳感器數(shù)據(jù)融合過程，該過程將運行 AI 算法等，所以這是所有 ADAS ECU 的大腦。
當然，許多進程都運行在軟件中，這些軟件會中斷控制器以處理 CPU 運行的不同任務(wù)。如果我們想優(yōu)化一切，可以使用 DMA 來執(zhí)行存儲，而無需 CPU 參與。
這基本上就是在微控制器中發(fā)生的事情，用于處理一切。但是在傳感器和處理實體的接口之間，我們有很長的路要走。此路徑由不同的以太網(wǎng)交換機構(gòu)成。交換機實際上是在 PCB 上構(gòu)建的芯片，用于轉(zhuǎn)發(fā)來自傳感器的數(shù)據(jù)。
一個交換機可以有多個端口，我以具有六個端口的交換機為例。我們總共有 15 個傳感器向 ADAS ECU 發(fā)送數(shù)據(jù)，所以我們最后需要 15 個連接器。
為了有連接這15 個連接器，我們有三個交換機來連接這些傳感器。我們將5個攝像頭傳感器、5個激光雷達、5個毫米波雷達連接到 ADAS ECU。
交換機包含一個 PHY，負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到處理實體的方向。因此，來自 5 個雷達傳感器的數(shù)據(jù)將保留在交換機上。這里會有一個MAC實體轉(zhuǎn)發(fā)到下一個交換機，這將被轉(zhuǎn)發(fā)到 PCIe 接口到處理實體（微控制器）。這對于其他交換機也是相同的。
還有一個重要的事情是在 PCB 上，對于兩個芯片之間的通信，PCB 上需要兩個以太網(wǎng)交換機，并且需要類似 MII 的接口。在 PCB 上需要有接口將這兩個交換機連接到 MAC。在這里，我們使用類似 MII 的接口，這對于另外兩個交換機和本交換機之間的鏈路也是相同的，但是，重要的是要了解實際使用的 MII 接口類型。
圖3中，我們有五個雷達傳感器傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為每秒 100 Mb，所以我們每秒有500 Mb數(shù)據(jù)進入交換機。如果MAC我們使用每秒100 Mb 的普通 MII 接口，就會遇到交通堵塞。因為每秒有 500 Mb進入，而每秒只有 100Mb輸出。這意味著輸入比輸出快，所以我們將在交換機內(nèi)部遇到越來越多的交通擁堵。
因此，交換機內(nèi)部存在日益擁堵的風險，來自雷達傳感器的重要數(shù)據(jù)會丟失，這是不可接受的。交換機出現(xiàn)擁塞丟失是完全不能接受的。這就是為什么這里使用 GMII 接口，數(shù)據(jù)速率為每秒 1?Gb，這比每秒 500 Mb 快兩倍。在這種情況下，我們非常確定我們將避免或至少減少這里的交通擁堵。這樣我們就不需要那么大的buff內(nèi)存來阻止流量。
以攝像頭傳感器為例，如果使用千兆以太網(wǎng)，就意味著我們會以每秒 5 Gb的總體速度輸入到下一個交換機，這是可能的五個傳感器同時發(fā)送數(shù)據(jù)。
如果我們這里有 5 Gb/s，我們就不能再使用 GMII 接口，因為輸出只有 1 Gb/s。如果我們使用它，我們將獲得每秒 5 Gb的總輸入，但總輸出為每秒 1 Gb，肯定會造成堵塞。所以我們需要使用 XFI 供應接口來實現(xiàn)每秒 10 Gb的數(shù)據(jù)速率。
為什么是 XFI？為什么這里每秒 10 Gb？因為當前我們沒有任何基于以太網(wǎng)的技術(shù)可以實現(xiàn)10Gb每秒的傳輸，這就是為什么我們必須在這里使用 XFI 接口以每秒 10 Gb的速度傳輸數(shù)據(jù)。
微控制器與交換機
如圖3 含有PCIE接口的交換機所示，這里我們有1個每秒 1 Gb 的輸入數(shù)據(jù)作為輸入，2個每秒 10 Gb作為輸入，也就是我們每秒總共有 21 Gb的整體數(shù)據(jù)速率作為輸入。所以這個時候，我們不能在交換機和微控制器之間的使用XFI 接口。
因為我們每秒有 10 Gb的輸出，但是有每秒 21 Gb的輸入，這也會造成堵塞問題，有堵塞風險和緩沖區(qū)溢出風險。所以這就是這里使用 PCIe 5.0 ，數(shù)據(jù)速率大于 22 Gb/s。
這也是之前所說的，ADAS ECU的硬件架構(gòu)依賴于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此，在設(shè)計之前，了解您將與多少個傳感器通信的 ADAS ECU 非常重要。
實際上，這里是在不知道不同接口上的帶寬占用情況時做出這樣的決定。這基本上是大部分時間發(fā)生的事情。但是，如果我們考慮每個雷達傳感器以每秒 5 Mb的帶寬利用率發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。這意味著數(shù)據(jù)速率是每秒百兆位。但是您使用的可用帶寬僅為每秒 5 兆位。
因此，雷達傳感器僅使用該帶寬的 5%。那么接下來會發(fā)生什么呢？我們在交換機上的總體帶寬利用率為每秒 25 Mb。因此，在這種帶寬利用率為每秒 25 Mb的特定情況下，使用每秒 100 兆比特的普通 MII 接口就可以了。因為整體帶寬利用率僅為線路的25%。所以它也會很好。
這里有一個例子，我們考慮一下。我們到處都有千兆以太網(wǎng)。所以我們在這里使用 GMII 而不是 XFI 有 500 兆比特每秒。如果我們知道帶寬利用率，這將是任何問題。而這里也一樣。如果我們有，我們也可以在這里使用 GMII。
總的來說，我們在進行車輛硬件架構(gòu)進行設(shè)計時，應避免在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用非常大的 buff 內(nèi)存等情況的發(fā)生。在此之前，需要首先對汽車網(wǎng)絡(luò)進行了解，因為汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會影響到汽車ECU和傳感器的硬件部分。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的汽车电子专业知识篇（二）-汽车以太网如何影响ECU和传感器设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： excel实战应用案例100讲（六）-社
- 下一篇： excel实战应用案例100讲（五）-e