汽车网络的艺术（系列 1）：VC3，新 E/E 架构评估系统

文摘 2024-11-10 07:00 上海

正如化石燃料推动了工业革命一样，数据为信息经济和许多现代技术创新提供了动力。数据无处不在，但就像石油一样，只有将其从源头转移到处理时，数据才有用。没有合适的管道和分销网络，就无法释放资源的真正价值。虽然管道可能经常被忽视或低估，但它是大型系统的重要组成部分。在汽车电子设备中，管道的作用是由强大、可靠的数据网络发挥的。

自从将网络引入汽车系统以来，通过这些网络传输的数据量急剧上升。驾驶辅助系统带来了更高水平的舒适性和安全性。车载娱乐开始与影院体验相媲美。这些以及许多其他本地和远程功能和服务将大量数据带入我们以前称为汽车的计算机中。

为了应对这种流量，需要合适的基础设施。传统上，车辆承载着几种不同类型的网络，其中一些网络无法轻易更换。出于商业和技术原因，一些旧系统将在未来很长一段时间内继续保留在新车辆设计中。然而，几十年前，人们就强烈要求用一种新的协议 CAN 取代现有的专有和基于标准的协议。从那时起，CAN 在汽车系统中无处不在，但为了满足特定需求，出现了一批新的其他协议，而当今车辆的现实又是多种网络协议的混合，从 LIN、CAN、CAN FD 到 FlexRay、MOST 等等。

汽车内部拥有同质网络基础设施的梦想并不新鲜，但最近以太网引入汽车，重新唤醒了人们对单总线系统的希望，这一次只使用 IP 通信。凭借其广泛的数据速率范围（从今天的 10Mbps 到 10Gbps）和新制定的时间敏感网络 (TSN) 标准，汽车以太网可能让我们更接近协议整合的梦想。

将系统更改和升级到以太网存在商业障碍。对于传统汽车公司而言，只要在技术上不需要修改现有电子设备来添加或更改功能，旧的电子控制单元 (ECU) 设计就可以从一代汽车延续到下一代汽车。甚至在没有遗留系统需要考虑的“全新”架构中也会出现多种总线系统的混合，例如来自特斯拉等公司的架构。在这两种情况下，都需要网络网关来桥接不同的总线技术并将数据从一种协议转换为另一种协议。即使不同网络类型的多样性开始减少，这种桥接概念仍将继续存在。

未来，这些网关 ECU 将面临新的挑战。过去的网关桥接了 CAN 和 CAN FD、LIN 和 FlexRay 之间的通信。这些协议的数据速率范围从 20kbps 到 10Mbps，事件频率和数据吞吐量水平可以由当前的实时处理器处理，例如瑞萨电子的 RH850/F1Kx 系列微控制器 (MCU)。然而，以太网的数据吞吐量呈数量级爆炸式增长，比特率攀升至 10Gbps，帧长度从仅数十个字节扩展到数千个字节。同时，连接到低速传统协议的需求不仅需要协议转换，还需要在后台进行数据转换。瑞萨电子正在通过新的处理器设备概念和集成硬件加速来解决这些挑战。

为了创建和评估先进的车辆网关系统，瑞萨电子开发了一种多协议网关评估套件，称为车载计算机，目前已是第三代。

图 1. 车载计算机路线图

第一个版本是与我们的合作伙伴 CETITEC GmbH 共同开发的，并推广由 R-Car H3 片上系统 (SoC) 和 RH850/F1KH-D8 MCU 组成的网关解决方案。最新一代产品包括专有以太网交换机，由瑞萨电子独自开发。这个版本称为车载计算机 3 或 VC3，由相同的 R-Car H3、瑞萨电子开发的 R-Switch2 以太网交换机和 RH850/U2A MCU 组成。该芯片组由瑞萨电子最近收购的公司组合中的数字和模拟半导体组合而成。

上面的开发路线图说明了目前汽车网络技术的快速发展。车载计算机的第一个版本仅配备 8 个 CAN FD 通道并支持 100Mbps 以太网，支持 IEEE 的音频视频桥接 (AVB) 标准。新一代将 CAN FD 通道数扩展到 16 个，其中 3 个 1000BASE-T1 千兆以太网接口连接到支持较新 TSN 标准的以太网交换机。此外，另一个千兆以太网接口支持 AVB，以太网调试接口简化了调试和软件开发。

图 2. 坚固外壳中的 VC3

VC3 支持所有常见的汽车接口，从 LIN 到高速专用接口（如 FlexRay 和 MOST）。其他支持的接口扩展了其作为原型平台的潜在用途范围，包括音频、视频 (HDMI)、USB 甚至 Wi-Fi。虽然这提供了很大的灵活性并提高了可用性，但主要目标用例是评估未来车辆新电气/电子 (E/E) 架构的网络策略。凭借 R-Car 系列强大的 SoC，以及最先进的实时 RH850/U2A MCU 和 16MB 闪存，有足够的处理能力来支持众多通信渠道。

车载计算机多协议网关 (VC3) 主要特点

R-Car H3
RH850/U2A，配备 16MB 闪存
TSN 以太网交换机 (RSwitch2)
4x 1Gbps (1000BASE-T1)
1x 100Mbps (100BASE-T1)
16x CAN FD
1x FlexRay
10x LIN
1x MOST150
HDMI 输入/输出
音频输入/输出
2x USB 2.0
1x USB 3.0
Wi-Fi 连接

从以太网的角度来看，系统的核心是 R-Switch2，这是瑞萨电子开发的以太网交换机和路由引擎。它提供具有 QoS 增强功能的无阻塞存储/转发架构，全部符合 IEEE 的最新 TSN 标准。集成转发引擎包括 VLAN 支持以及高达 L2-L4 路由的转发和过滤功能。这允许将交换机配置为完全自主的 IPv4/IPv6 路由器。

图 3. VC3 框图

VC3 架构由 R-Car H3 SoC、RH850/U2A MCU 和 R-Switch2 三个主要组成部分组成，代表了一个高端车辆网关平台。SoC 涵盖对性能要求高的应用服务，而 MCU 则处理实时域应用和安全相关流量。除了支持车辆架构评估和一般概念验证开发外，VC3 还为早期客户提供了评估网关系统性能的机会，并在下一代瑞萨 R-Car 设备支持这一特定用例之前开发系统软件。

VC3 提供样品，第一批样品将于 2020 年 8 月发货给客户。从 2021 年初开始，将提供更多样品。该评估系统面向汽车制造商和一级汽车供应商的网络开发人员，以协助定义下一代汽车的 E/E 架构。

请访问我们的瑞萨电子无缝冗余时间敏感网络 IVN 演示器视频页面，了解有关瑞萨电子适用于所有主要汽车通信接口（包括以太网 TSN）的多协议网关解决方案的更多技术细节。相关 R-Car SoC 和 RH850 MCU 文档也可在此处找到。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxODAzMDA0Mg==&mid=2650946155&idx=1&sn=323e563293bdf6a4ea07480d03d87df7

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