CAN总线作业 车用以太网.docx

车用以太网 以太网：以太网（Ethernet）最早由Xerox（施乐）公司创建，1980年由DEC（美国数字设备公司）、Intel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合开发成为一个网络标准。以太网是一项使用电缆连接的网络技术，可供任何制造商使用。 以太网标准：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G以太网（10Gbit/s）等。以太网采用的是CSMA/CD访问控制法，符合IEEE802.3标准。以太网在汽车上的应用：主要有ADAS(先进辅助驾驶系统)、360度全景泊车系统和蓝光DVD播放系统，汽车音响。传统车用通讯网络：今天汽车中广泛应用的是网络是CAN和LIN，它们主要应用于车身电子和一些关键的安全性应用，如电动车窗/车门/车椅控制、电动雨刷、引擎控制、安全气囊控制等，这些应用的特点是需要传输的数据量较小，但要求非常高的实时性和可靠性。CAN现场总线的最大带宽只有12Mbps，随着越来越多的高清视频应用进入汽车，如ADAS(先进辅助驾驶系统)、360度全景泊车系统和蓝光DVD播放系统，汽车网络必须支持从车头和车尾实时地向驾驶员前面显示面板传送720p以上高清视频，这时候CAN总线带宽已经远远不够用了。这也是为什么今天汽车业界在发展MOST多媒体总线的背后原因。MOST总线的带宽是够了，它能提供的最大带宽是150Mbps，但MOST是共享总线，也就是多个设备共享这150Mbps带宽，当某个设备占用大带宽的时候，别的设备可能就没有资源了。例如，当后座乘客在看蓝光DVD影片时，驾驶员从ADAS看到的图像可能就会时断时续。此外，ADAS系统在车身周围都配有很多摄像头，现在这些摄像头都是模拟的，但现在有一个趋势是，这些模拟摄像头要全部转向数字摄像头，而且分辨率至少要达到720P。要传输这么高清晰度的数据信号，目前都是用压缩的方法做的，但压缩过以后还是需要30兆带宽，可以想象如果不压缩的话，需要的带宽就更多了。这么多数字摄像头如果同时工作，MOST总线就已经满足不了需求。博通公司BroadR-Reach开发车用以太网：为了解决这一问题，博通最近开发出了专门针对汽车市场的物理层收发器(PHY) BroadR-Reach BCM89810，它使得100Mbps以太网可以在汽车环境下正常工作。与MOST相比，以太网采用的是星形连接架构，也就是每一个设备或每一条链路都可以专享100兆的带宽，这样无论今后汽车内要增加什么高带宽应用，都不用担心总线带宽问题。更重要的是，BCM89810使得客户只需使用单对非屏蔽双绞线就可以实现100Mbps带宽，从而为汽车市场提供了业界成本最低的高带宽连接解决方案。目前汽车中采用的FlexRay和MOST总线使用LVDS电缆来传送大带宽数据，但LVDS为了满足汽车对电磁辐射的要求，需要有很厚的屏蔽层，同时连接器也是非常的复杂和昂贵。博通的BroadR-Reach技术使得普通的非屏蔽双绞线就能够实现现在LVDS做到的事情，互连成本能降低多达80%，线缆重量减少多达30%，这可使得同样的燃油能跑更多的路，这一点对新兴的电动汽车来说特别具有意义。成本低廉的以太网目前已经解决了此前汽车业内广为担心的实时性、可靠性和安全性问题，未来很有希望成为汽车市场的一匹黑马。目前宝马汽车已经宣布将在2013年推出的X5汽车中广泛采用博通以太网解决方案，其它汽车制造商也在积极评估中。博通、飞思卡尔和OmniVision还推出了3方共同开发的360度全景停车辅助系统，这是世界上第一款基于以太网的停车辅助系统。3家公司通过合作，整合了最先进的半导体创新与卓越的汽车电子技术专长，在从封闭式应用向开放和可扩展的以太网驾驶员辅助网络转变的过程中，迈出了重要的一步。这种开放式网络允许多种系统便捷地获取信息。那么，为什么此前100Mbps以太网没能进入汽车市场呢？传统的100Mbps标准以太网解决方案之所以进不了汽车市场，主要是因为它必须用两对或四对非屏蔽双绞线进行传输，PHY内部的工作频率要到200兆赫兹左右，其电磁辐射量没有办法满足汽车对EMC的要求。BCM89810之所以能满足汽车对EMC的要求，主要是实现了两大改进：一是它支持用单对非屏蔽双绞线线就可以进行100兆数据的传输。二是博通成功降低了PHY的工作频率，BCM89810内部的工作频率只需50兆左右。BCM89810除了可以满足汽车非常严格的EMC要求，而且还可以满足极高的温度要求，它的工作温度范围是军用级或汽车级的，达到-45到+125。这款产品甚至可以用在汽车引擎附近，尽管汽车引擎附近通常是汽车内温度最高的地方。BCM89810已经符合TS16949标准，目前我们还正在对它进行AEC-Q100的认证。就通过非屏蔽铜线传送编码以太网数据包而言，BCM89810执行所有物理层功能，可通过今天汽车内使用的单对双绞线电缆，一致、可靠地工作。M89810完全符合RGMII和MII接口规范要求，因此可与车内其他以太网设备是兼容。BCM89810 BroadR-Reach汽车PHY： 博通的BroadR-Reach产品目前主要有5个器件，包括三款交换芯片和二片完全集成了BroadR-Reach的PHY。BCM89500和BCM89501是7端口、第二层交换芯片，分别集成有4个PHY和5个PHY，可以应用在新型网络中进行多个不同产品的互连。BCM89200是四端口、第二层交换芯片，集成了2个PHY。第一款PHY的型号是BCM89610，这是单口10/100/1000BAST-T PHY，只用于汽车系统诊断，诊断时一般汽车处于熄火状态，因此对EMC的要求不是很苛刻。另外一款PHY是89810，这是针对多种设备之间的互连而做的PHY，可以用在系统源端，包括EIS、车内的娱乐系统等。PHY的技术特色包括：1）集成在单芯片上的以太网PHY；2）通过单对铜缆以100Mbps工作；3）先进的节能技术，支持多种低功率模式；4）满足汽车工作环境的严格要求（AEC-Q100、EMC、汽车温度级）；5）支持IEEE 1588 v2和802.1AS标准，实现了准确的网络时间同步；6）匹配线路输出阻抗；7）EMI辐射低，抗干扰性强。车用以太网和传统车用网络的兼容性：前面说到了汽车对更大传输速度的需求，汽车行业另外一个发展趋势是希望新的互联标准是开放性、兼容性的架构，这样他们可以很容易地把现有的应用嵌入到新的系统里面去。在不增加成本的前提下，这些汽车厂商希望把车内的网络统一简化，将目前车内的CAN、LIN、FlexRay网络都统一到一个简单的、成本低的以太网络上。为了促进以太网在汽车中的应用，博通还和业界的一些领先厂商(如BMW、现代、路虎、NXP、飞思卡尔和HARMAN)共同倡议建立了一个OPEN联盟，这个联盟旨在发展促进新一代车内以太网络系统的发展，同时推动博通BroadR-Reach以太网解决方案在下一代汽车网络内得到大规模的应用。Cadence汽车以太网设计IP和验证IP (VIP)全球电子设计创新领先企业Cadence设计系统公司 (NASDAQ:CDNS) 日前宣布将很快推出业界首款用于最新的汽车以太网控制器的汽车以太网设计IP和验证IP (VIP)。 基于标准的设计IP 和 VIP 支持由 OPEN Alliance Special Interest Group (SIG) 定义的最新汽车以太网扩展。 两种 IP 共同帮助加快了目前最新的汽车上市要求，包括改进了车载安全性、舒适性和信息娱乐系统，并降低了网络复杂性、减少了布线成本。 通过面向基于以太网的汽车连接性的 Cadence Media Access Controller (MAC) Design IP 和 VIP，这些新功能的实施可以更加快速和简单。在 OPEN Alliance SIG 的推动下，汽车行业正在倾向于将以太网作为基于IEEE标准的车载网络，以便开发更简单、更强大的汽车电子/电气架构。 车载以太网通过低重量、非屏蔽双绞线电缆为汽车行业提供了经济高效的布线解决方案。“汽车制造商开始通过车辆内部的非屏蔽双绞线电缆部署汽车以太网。 因此，对整个行业来说非常重要的一点是由 Cadence 等公司提供设计和验证IP，使生态系统能够开发面向车载通信的、基于以太网的产品。”Strategy Analytics 全球汽车业务总监 Ian Riches 说。Cadence MAC 设计IP 加快了基于汽车以太网的集成电路的开发。 另外，Cadence Ethernet VIP 的客户可以使汽车以太网协议的复杂一致性测试自动化，并利用高级验证方法。 Cadence VIP 显著缩短了整个测试平台的开发时间，进而提高了验证生产率。Cadence SoC实现业务部门高级副总裁 Martin Lund 表示：“相比于以前使用的，与昂贵、低性能和专有技术有关的汽车连接性，车载以太网的推出为其带来革命性的优势。 通过我们的新型 IP 和 VIP 产品，客户可以更加轻松地实施最新的汽车要求，并为车载通信创建高级的、基于以太网的产品。”Cadence 是硅片验证以太网IP解决方案领域的市场领导者，在交付和支持高质量以太网IP领域具有超过 12 年的经验。 Cadence以太网IP在许多高产量商业产品中都经过 UNH 测试和芯片验证。 利用 OPEN Alliance SIG 的成员身份和参与，以及 IEEE 802.3 和 802.1 标准社区，Cadence 将继续升级其 IP 解决方案，为客户的以太网解决方案提供最强的信心。开发测试案例：汽车天窗测试系统中PLC与上位机以太网通讯系统的开发l 通讯部分：西门子PLC以太网通讯的实现为允许PC机和工作站上的应用程序与西门子S7-300PLC进行以太网通讯，西门子公司为用户提供了以太网通讯模块CP343-1，它自身备有处理器，可独立处理以太网上的数据拥塞，解除了CPU的通讯任务。该控制系统 采用CP343-1 ( 型 号: 6GK7343-1EX30-0XE0) 模块组成以太网通讯方式与上位机进行数据通信， 通信编程包括两个部分:( 1) CP连接组态; ( 2) PLC与上位机通信编程l 硬件组态( 1) 在Rack中插入相应的电源模块CPU315-2DP以及CP343-1以太网通讯模块设置PLC的站号，定义CP343-1的物理地址和以太网址，以太网址要和PC 机在同一网段内，IP地址格式为:aaa. bbb. ccc. Ddd( 2) 在网络配置软件NetPro中，对CPU315-2DP模块插入一个新的网络链接，设定链接类型为ISOon-TCPconnection，点击确定后使用弹出属性窗口的默认值，根据对话框信息设定程序的块参数， ( 3) 编译并保存组态信息，下载到PLC的CPU中l 通讯过程LabVIEW是一种基于图形编程语言的开发环境，利用LabVIEW内部集成的TCP/IP协议模块，可以快速编写出通过以太网通信的程序，通过设置PLC和PC机在同一网段内的IP地址和通讯端口，就可实现两者间的以太网通讯，然后对数据进行保存 监控等各种操作(1) 打开TCP网络连接 打开由地址和远程端口或服务名称指定的TCP网络连接 字符串类型的地址参数可以是IP地址或主机名，远程端口是要建立连接的端口或服务的名称，可接受数字或字符串输入(2) 写入TCP网络连接 将数据写入由ID唯一标示的TCP网络连接 当发送的消息大小可变，消息前带有描述该消息的文件头，包含了说明该消息的类型及其他数据大小的命令 当发送固定大小的消息，如果消息的内容小于指定的大小，可填充消息，使其达到指定的大小( 3) 通讯状态指示 用于指示网络的通讯情况，指示灯变亮说明正在通讯l PC机读取数据过程：( 1) 创建网络侦听器 创建网络侦听器并等待位于指定端口的TCP连接，IP指定侦听的网络地址( 2) 读取TCP网络数据 读取TCP网络数据并通过数据输出接口返回结果 采用Standard ( 默认)读取模式，等待直至读取指定字节数( 程序中为4字节) 的数据或超时毫秒时间结束( 3) 关闭TCP网络连接 关闭ID标识的TCP网络连接，释放资源( 4) 传递和查询错误消息 通过错误消息的传递和查询错误消息表，可轻易找到异常的类型和内容车用以太网的挑战与展望以太网在汽车上的应用，需要开发人员和测试工程师在技术上全新规划。首先，必须获取一个清晰的网络架构。在此网络架构中，主网络已经不再是一个总线系统，而是使用全双工连接的交互式网络。应用该网络实现网络实时，同步技术需要在物理层（OSI第一层）以上的高层协议上实现，例如AVB网络协议（Audio Video Bridging，）。对于新的网络架构，分析能力的需求也在增长，比如开发者希望通过主网络同时分析所有的传输数据，那么就要求主网络可以同步所有分支网络数据。其次，开发人员必须找到新的、合理的数据处理方法来处理巨大的数据。过快的传输速率（千兆每秒）加大了快速数据处理的负担，开发商亟待解决这一问题。适合此需求的物理层千兆以太网双绞线，已在开发中。最小化接口对系统性能的影响：不同于普通总线系统，以太网测试必须采取特殊方式避免对整个系统的影响。一方面，开发者必须在系统设计早期考虑测试的可行性。另一方面，以太网测试工具必须最小化测试接口对系统的影响。下面是对分析和测试所列出的各种测量步骤；并对测试过程中的不良影响做了解释，及如何最小化这些不良影响。以前解决方案的局限性：传统分析以太网的方法是在以太网系统的交换机上使用一个端口作为监测端口。所有交换机接收到的数据转发到这个监测端口上，这提供了接收的数据，但这些数据在时间上，没有一个共同的时间参考。除此之外，只有有效的数据转发到数据端口上，这使得错误分析变得困难。此外，成本原因，产品化的交换机上没有预留额外的监测端口。如果交换机上没有预留额外的端口可用，在现有网络连接中可以插入一个额外的交换机。该交换机的插入可使数据在传输过程中添加一个动态延时。满足ABV协议的网络是带有时间同步的，而该动态延时扰乱了AVB网络的时间同步。对于这个测量设置，可使用IT领域里常用的工具和交换机。然而，对于在汽车领域里逐渐广泛应用的BroadRReach网络，需要执行一个影音以太网向标准以太网的（IEEE802.3）转化。此外，从汽车网络发展的角度看，这些传统的以太网测量工具是孤立的测试解决方案，因为他们没有把汽车上正在使用并尤为重要的总线系统测试考虑到内。透明的以太网分析方法：对于以太网的监测，尽可能的选用一个透明的方法，代替额外的交换机作为接口监测网络。其主要目的是避免由于时间延时的增加及对故障报文的过滤而产生的对系统的影响。这一问题可以通过直接在以太网物理层获取或捕捉物理电平数据的TAP（Test Access Point）测试避免。在该过程中，延迟时间不但短而且稳定，这样在分析AVB系统是非常有利的。另一透明的监测方法是通过使用支持AVB时间同步的交换机。该交换机支持AVB协议，可补偿由于报文传输的时间延时。无论选择哪种方法，目的是准确分析带有精确时间戳的报文数据。因此我们尽可能的获取靠近物理层的数据是最可靠的。这些时间戳必须是与其它接口同步的，因为对网络数据分析不只仅仅从以太网上获取数据。对于一个非激活状态的接口必须是透明的，例如，硬件接口装在车辆上，对车进行试驾，这个硬件接口即便应用程序不工作，也必须主动切换到单机模式下工作，否则行车过程中以太网通信将被打断。带有仿真的TAP：在数据分析中，测试者需要通过有意的发送某些数据报文来测试网络的状态。纯监测两个节点之间的连接状态应该越少越好。然而，这些测试报文不会直接通过物理层发送，因为需要通过流控制大量报文的发送。因此只能通过数据链路层来发送这些报文。这就伴随这动态延时的产生，该延时可通过通信协议来消除，如AVB协议。测试报文有两种用途，其一是在正常通信的两个节点之间发送补充故障数据，来测试网络（图4，path3）。这些数据也可以通过测试软件发送，如CANoe.IP，要么通过一个报文发生器来发送，该发生器在接口处可直接产生一个定义的总线负载剩余总线仿真：在开发某一单独ECU时，ECU集成到真实网络之前，对该网段上除该ECU之外的其余网络的仿真是测试各种潜在问题的灵活可行方法。首先，硬件测试是必须的，测试ECU能够满足接入任何高性能网络。其次，应用程序必须能够正向记录和向硬件发送数据（图4，path4）。第三，软件和硬件的结合必须接收打包数据，解压数据，并且发送解压数据。这就为ECU的测试提供了方法，测试包括ECU错误处理能力，如协议错误。接口/软件灵活组合的重要性： 以太网测试环境（软件/硬件）如何处理不同被测硬件和软件的需求。为避免测试环境为不同的测试