開發適用于下一代汽車的汽車網關

發布時間:2020年01月20日 11:01    發布者:eechina
關鍵詞: 汽車網關 , TCU , PCIe , 汽車以太網 , Jacinto
作者:Subbu Venkat,汽車處理器業務發展經理,德州儀器 (TI)

介紹

汽車架構正在快速演進,車輛逐步從半自動駕駛向最終的完全自動駕駛發展。汽車制造商還加入了多種功能,例如智能訪問、車輛共享、預測性維護、車輛跟蹤、車隊管理和空中 (OTA) 升級,以增強互聯能力和車載通信。這些高級功能生成的數據量不斷增加,需要通過高性能處理器進行處理,并在 CAN、LIN 和高速網絡(如以太網)等接口之間安全可靠地進行通信。因此,汽車制造商正在重新評估汽車網關和遠程信息處理控制單元系統(TCU)的架構。

汽車網關

汽車網關是一種核心功能為在車輛內安全可靠地傳輸數據的系統。車輛中可以存在多種網關:中央網關和域網關(或域控制器)。

中央網關可以在TCU、動力傳動系統、車身、信息娛樂系統、數字駕駛艙和 ADAS 應用等多個域之間安全可靠地傳輸數據。
域網關(或域控制器)具有類似的功能,只不過它僅在其相應域內的 ECU 之間路由數據。

與域網關相比,中央網關通常需要更強的處理性能、更多的接口和更高帶寬的網絡協議。圖 1 說明了如何在車輛中實現這兩種類型的網關。

TCU

TCU 是車輛中用于連接互聯網和云的 ECU。隨著汽車制造商為車輛配備Wi-Fi®、Bluetooth® 和蜂窩數據功能,連接到互聯網和云的汽車變得越來越普遍。                 

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圖 1.示例 SoC 架構,具有一個中央網關和兩個域網關.

此連接技術使得緊急呼叫 (eCall) 成為可能,方便乘客在行駛中在線訪問娛樂和其他內容,同時還可為車輛中的數字內容提供 OTA 軟件更新。

共享汽車、用手機訪問取代遙控鑰匙、車隊管理和跟蹤、保險提供商遠程監控駕駛習慣以及汽車經銷商遠程監控車輛狀況以安排預防性維護(如更換機油)等,這些新興趨勢都需要車輛連接到互聯網和云才能實現。

另一個新興趨勢是車輛能夠與其他車輛、基礎設施(如交通信號燈)甚至他人進行通信,這一趨勢也有助于實現車輛的完全自動駕駛。人們形象地稱之為車對車 (V2V) 和車對基礎設施 (V2I) 以及車對人 (V2P)。專用短程通信 (DSRC) 或 c-V2X 連接通常有助于實現此類通信。

簡而言之,遠程信息處理技術(Telematics)可將汽車與外界聯系起來。圖 2 通過圖示對遠程信息處理進行了說明。


圖 2.遠程信息處理(Telematics)示例。

不斷發展演進的網關和 TCU 需要應用處理器

汽車網關處理器通常是 32 位微控制器 (MCU),具有內置存儲和常用的網關接口,如控制器局域網 (CAN)、本地互聯網絡 (LIN) 和 FlexRay™ 等低速接口。然而,隨著汽車的 ADAS 和連接功能不斷增加,車輛必須以非常低的延遲在各個域之間對越來越多的數據進行安全可靠的處理和通信。               

由于 CAN 靈活數據速率和 LIN 之類的接口無法以較低的延遲來傳輸大量數據,因此汽車制造商正在遷移到基于以太網 TCP/IP 的協議,以應對更高帶寬的數據傳輸。由于 TCP/IP 是消費者領域中公認的通信協議,它對人們很有吸引力。因此,與未經證實的協議相比,其風險更低。

MCU 本身可能滿足不了未來網關的處理要求,因此性能更高的應用處理器(Application Processor)正在取代或填補某些 MCU 功能,以處理和路由未來網關的數據。此外,隨著車載網絡向基于以太網網絡的遷移,由應用處理器支持的汽車網關可以幫助快速高效地處理和路由各個域之間的數據。

互聯能力是實現 OTA 更新娛樂內容和其他服務(如共享汽車/拼車應用和遠程車輛訪問)所必需的條件。TCU 具有一個用于提供連接的蜂窩或 Wi-Fi® 調制解調器和一個用于處理從調制解調器所接收數據的應用處理器。處理包括解密數據、驗證數據并將其路由到網關或其他域 ECU。在當前的架構中,調制解調器和處理器集成在單個半導體器件中。但是,由于調制解調器標準在不斷發展,因此汽車制造商正在改為使用將調制解調器與處理器分離的架構。此外,汽車網關和 TCU 都在向由應用處理器支持的基于以太網的網絡遷移,該應用處理器

具有 PCIe 等高速連接外設支持,并具有強大的計算能力來處理和路由各個域之間的數據。將處理器與調制解調器相分離的優點在于,僅更換調制解調器(無需改變處理器及在其上面運行的所有相關軟件),即可將 ECU 快速遷移到新的調制解調器標準。
隨著汽車互聯性和自主性的提高,安全與防護在汽車網關和 TCU 中也變得越來越重要。專用的嵌入式安全處理器或子系統可以幫助保護對車輛安全密鑰的訪問,增強通信通道的安全性,并確?尚跑浖虏槐挥糜诰W絡攻擊。安全功能通常在經安全認證的分立 MCU 中實現。集成了應用處理器和安全 MCU 的片上系統 (SoC) 為汽車 OEM 提供了更低的物料清單 (BOM) 成本。

開發成本

如前文所述,網關和 TCU 系統在功能方面正變得越來越復雜。這給汽車制造商帶來了高昂的開發成本。理想情況下,汽車所有層級/型號的供應商均可避免此項成本。

OEM 和一級供應商可以借助 Jacinto™ DRAx 系列汽車處理器來節約開發成本,該系列處理器可提供可擴展且軟件互相兼容的平臺,有助于滿足下一代網關和 TCU 系統的需求。Jacinto DRA8x 汽車處理器通過支持各種高速 I/O(如 PCIe、USB3.x、千兆以太網以及 CAN-FD 和 LIN 等傳統汽車外設),幫助增強整個車輛的連接性。

這些處理器還經過專門設計,集成了片上 MCU 子系統,以幫助滿足 TCU、應用處理器和汽車網關所需的實時處理需求和性能。

DRA829V 是 DRA8X 系列中最新的汽車處理器。DRA829V 是一款高性能的 SoC,它集成了多個計算和處理核心,使得汽車網關可以更輕松高效地管理和支持更高的實時數據吞吐量。由于此器件配備了用于實時處理的 Arm® Cortex®-A72 MPU 集群和 Arm                 Cortex-R5F 內核集群以及高速外設(如 USB-3、集成 PCIe 交換機和千兆以太網交換機)等特性,因此無需外部組件即可實現更高的帶寬數據傳輸。DRA829V 處理器的另一個關鍵特性是其集成的功能安全 MCU 子系統,該系統支持片上 ASIL-B 至 ASIL-D 功能安全操作。DRA829V 處理器還包括一整套傳統的汽車外設,例如 CAN-FD、LIN 和 MOST。對于安全關鍵型應用,DRA829 器件通過集成的高安全性模塊 (HSM) 支持安全引導和運行時環境。此外,DRA829V 處理器還提供了各種計算能力和外設組合,可為多種汽車網關提供成本優化的器件。

Jacinto DRA8x 處理器系列包含對 Processor SDK 中多個高級實時操作系統的支持,同時它還具有全系列兼容且可擴展的軟件開發套件 (SDK),從而使得 OEM 可以在其產品系列中集成和重用設計成果,最終降低開發成本。有了統一的軟件,汽車制造商便能夠縮小成本高昂的軟件研發投資規模,并通過其整個中央網關平臺為從入門級到高端級在內的各類車輛部署軟件。

創新下一代網關系統

汽車網關和 TCU 的架構正在迅速變化,以在汽車的各個域之間高效地處理和傳輸大量數據。配備集成 MCU 子系統、應用處理器和高速 I/O 功能的可擴展 SoC 將有助于以更少的系統 BOM 滿足這種新架構的需求。

TI 的可擴展硬件和軟件互相兼容 DRA8x SOC 系列有助于滿足新網關和 TCU 架構的需求,從而幫助降低系統 BOM 成本和汽車網關的開發成本。

其他資源
•        詳細了解用于網關應用的 Jacinto DRA8x 汽車處理器。
•        獲取有關 TI 汽車網關解決方案和設計資源的更多信息。
•        下載汽車網關和 TCU 參考設計。

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