2307-數位介面正推動汽車產業的資料應用發展

數位介面正推動汽車產業的資料應用發展

By Avnet Staff | 2023年4月3日 | 提供自 Avnet

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軟體定義式汽車正迅速成為現實，工程師持續探索車用網路的急劇崛起及其發展趨勢，以滿足汽車產業的需求。

過去 40 年來，汽車的設計發生了驚人的巨變。從一開始的動力轉向和防鎖死煞車等機械方面的強化，到後面電子控制和儀表的進化。

現代汽車或許仍遵照著汽車發明人 Henry Ford 的設計原意，只是運作方式已然截然不同。現代汽車成了互連電子系統的平台，且隨著電池電動車和全自動駕駛功能的成長，帶動這股趨勢持續加速。

自 70 年代中期以來，電子控制單元 (ECU) 一直是非常重要的車輛功能，作用是讓引擎燃油的噴射和正時達到最佳化管理，後來電子系統融入到更多車輛功能之中，從變速箱到舒適控制，從懸吊到循跡防滑控制。於是，ECU 的數量大幅增加。最初，每個 ECU 只執行單一功能，很少或根本不會互動。

當部分車款中的 ECU 數量達到 150 個以上時，汽車產業就開始在接下來的二十年裡將這些整合到車身與傳動系統等領域。感測器的使用數量和不同功能之間的互動的增加，指出了改善車內網路的需求。車內網路不斷進化，以管理日益增加的電子功能。

車內網路的進化

ECU、感測器和致動器之間在業界中已有標準連接方式。90 年代中期，汽車工程師協會 (SAE) 便制定了 ECU 互連的 J1939 規格。此標準導入了訊息式的控制器區域網路 (CAN) 通訊協定，幾十年來一直使用在高速車用網路上。搭配 CAN 的其他傳統式低速序列匯流排和多點網路通訊協定 (例如 FlexRay、媒體導向系統傳輸 (MOST) 和區域互連網路 (LIN)) 成為了關注的焦點，而汽車 E/E (電氣/電子) 架構工程師仍在不斷努力，以滿足高速網路的需求。

CAN 一開始推出時，最大資料傳輸速率僅 150 kb/s。後來經過不斷改善，推出了 10 Mb/s CAN-FD (彈性資料率) 通訊協定。最近通過核准的 CAN XL 通訊協定更將頻寬擴展至 20 Mb/s。

即使資料傳輸速率已經加倍，先進駕駛輔助系統等技術仍需要更高的速度。在安全性和保全功能方面，視覺型感測器、前置毫米波雷達和 LiDAR 變得非常受歡迎。熱門的有像是車道偏離警告、緊急煞車和適應性巡航控制，它們都需要超高可靠度、高頻寬、低延遲的網路，以維持高效率的運作。

乙太網路為最主要的 IP 型企業網路通訊協定，已受到汽車應用的採用。乙太網路和汽車乙太網路 (100Base-T1、1000Base-T1 和 10Base-T1S – 10 Mb/s 至 1 Gb/s) 之間本質上的差異在於實體層，其優點是單屏蔽或無屏蔽雙絞線的成本更低、更輕巧、重量更輕。這種乙太網路方法稱為單對乙太網路 (SPE)，這是一種實體媒體介面，在工業自動化等其他市場領域也快速獲得採用。

但電子系統越多，仍然需要更多的銅線。要互連 ECU、感測器、致動器和資訊娛樂的人機介面，需要靠重型織機，這為汽車 E/E 業界的高階主管帶來了挑戰。

纜線和系統的額外重量是一項重大挑戰，尤其是對電池電動車來說，重量決定了行駛里程。線束越來越重、體積不斷增加，設計和安裝也越來越複雜。因此，汽車工程師必須要將平台從領域型方法改成區域架構。

從以領域為中心的方法到完全的區域型架構

隨著對互連系統的相互依賴性日益提升，一車一伺服器或閘道器的形式越來越受青睞。因此，軟體定義式汽車正迅速成為現實。

領域佈線方法使用高成本、冗長且笨重的線束，區域系統則使用備援乙太網路骨幹來服務每個區域，同時連接所有主要車輛功能。

工程師開始捨棄混亂的領域佈線，並改用中央伺服器和區域架構。(資料來源：NXP)

將多個 ECU 功能聚合到中央伺服器，並將特定的邊緣任務 (車窗控制等) 卸載或委派至區域控制器 (全部與汽車乙太網路骨幹連接)，除了減輕重量，也能降低複雜性。透過這種方法，還能將部分汽車功能轉換成軟體服務，往全自動駕駛車所要求的目標，實現軟體定義汽車邁進。

除了汽車乙太網路的實體層優勢，此通訊協定還導入了一些最初針對工業應用所開發的理想功能和最新強化。其中值得注意的是時間敏感網路 (TSN)，其提供了確定性網路行為，這對安全關鍵功能來說至關重要。

毫無疑問，乙太網路終將取代 CAN。但目前來說，汽車產業仍會繼續部署 CAN 和其他速度較慢的網路。畢竟 CAN 還是適合眾多應用，而乙太網路至今仍成本太高，且過於複雜，難以取代 CAN。

除了乙太網路通訊協定在車用網路中崛起，對高速應用專屬介面通訊協定的需求也為新標準帶來了機會。其中一例便是行動工業處理器介面 (MIPI) A-PHY，這是一種非對稱的點對點或菊鏈介面通訊協定，用一根無屏蔽雙絞線 (UTP) 纜線便能提供高達 16 Gb/s 的超高速單向資料連結和供電。MIPI A-PHY 是唯一原生支援 MIPI CSI-2 攝影機和 DSI-2 顯示介面的汽車介面，非常適合進階駕駛輔助系統和資訊娛樂應用。