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改进CAN是MCU厂商送给自己汽车客户的礼物!

admin 汽车新闻 2020-11-20 02:50:03 4 0

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原标题:改进CAN是MCU厂商送给自己汽车客户的礼物!

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):k彩在哪下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。

改进CAN是MCU厂商送给自己汽车客户的礼物!

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。


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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。

(杨福宇老师对汽车CAN总线应用有深入的研究,如果有嵌友想跟杨老师深入探讨相关知识,可以邮件联系:yfy812@163.com)

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