通讯架构设计与开发方案
基于FPGA的车载通信开发
方案概述
如今，车辆越来越依赖传感器网络来实时反馈驾驶体验并保障行车安全。传统车载网络通常采用CAN总线和MOST总线等工业级总线系统进行通信，但随着传感器和车载计算资源日益精密，带宽扩展需求日益凸显，这对总线系统提出了挑战。
CAN总线和LIN总线专为低速通信与控制设计，而FlexRAY等总线虽能提供高达10Mbps的传输速率，但成本相对较高。
随着高精度传感器、摄像头及信息娱乐系统的广泛应用，MOST总线等高速总线系统以及 LVDDS 、CML等物理层技术逐渐普及，不过这些技术的实现方案往往专业门槛较高。
| 通信协议 | 带宽大小 | 安全性 | 拓扑结构 | 布线 | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 控制器区域网络（CAN/FD/XL） | 125Kbps – 20Mbps | CAN XL 中的有限可选 CANsec | 星、环、总线 | 非屏蔽双绞线（UTP） | 多主控功能 稳健的错误检测 |
| 本地互联网络（LIN） | 最高可达 20Kbps | -- | 总线 | 单线 | 低成本 简洁性 |
| FlexRay | 最高可达 10Mbps | -- | 星型、总线、混合型 | 非屏蔽双绞线（UTP） | 基本冗余： 时间触发和事件触发传输 |
| 车载以太网 + TSN | 10Mbps 到 + 100Gbps | MACsec | 星型、总线、混合型 | 非屏蔽双绞线（UTP）baset1s/l | 时间同步 可靠性 QoS |
虹科方案
虹科已为众多客户部署基于FPGA的车载通信开发方案，并广泛应用于ASIC和FPGA领域
TSN终点站
汽车TSN端点将各种车辆传感器和执行器（如雷达、摄像头、电机和灯光）连接到车载TSN网络，实现中央处理单元与端点之间的可靠数据传输和精确时间同步。端点的以太网端口支持单对以太网（SPE），实现多点总线架构，降低布线复杂度并降低设备成本。
TSN网关
汽车TSN网关是一种网络设备，使非TSN设备（如遗留ECU）能够连接到TSN网络基础设施。它通过TSN功能实现与老旧车载网络类型如CAN和LIN总线无缝集成，以优先级排序和同步时间敏感的数据流。网关实现了一个单一以太网端口，用于连接TSN网络，并通过CAN或LIN总线接口连接到遗留ECU。
TSN桥
汽车TSN桥是一种网络设备，用于在车载TSN网络的不同段间转发数据，确保多个设备和系统之间实现确定性且时间敏感的通信。它管理传感器、执行器和中央处理单元之间实时流量的调度、优先级和转发。TSN桥通常配备8到12个以太网端口，用于连接TSN端点、网关和桥接端点/网关，同时还有若干高速骨干以太网端口用于互连桥接或中央处理单元。
区域控制器
除了TSN端点或网关提供的功能外，区域控制器还提供一个额外的以太网端口。第二个端口支持菊花链网络拓扑的实现，允许多个端点或网关互联。这种配置可以在不增加额外TSN桥接的情况下增加网络中的TSN端点和网关数量。
车载硬件定制化
硬件平台一：
- 用于演示和评估的即用型 TSN 交换机解决方案
- 基于标准商用组件
技术特性：
- 4 个物理端口 + 1 个 CPU 端口
- 电口或光口： 10M/100M/1G/2.5G
- SFP+光口： 10G/25G
- 流量类别/优先级：8
- MAC 地址条目：16K
- 802.1AS – 定时与同步
- 802.1Qav, 802.1Qbv – 基于信用的整形和时间感知整形
- 802.1Qbu, 802.3br – 帧抢占
- Linux 操作系统，包括 TSN 交换机设备驱动程序和 802.1AS 软件栈
硬件平台二：
- 用于演示和原型开发的即用型 TSN 交换机解决方案
- 基于 Xilinx ZCU102 评估套件
技术特性：
- 4 个物理端口 + 1 个 CPU 端口
- 电口或光口： 10M/100M/1G/2.5G
- SFP+ 光口： 10G/25G
- 流量类别/优先级：8
- MAC 地址条目：16K
- 802.1AS – 定时与同步
- 802.1Qav, 802.1Qbv – 基于信用的整形和时间感知整形 802.1Qbu, 802.3br – 帧抢占
- CPU 系统选项 – Xilinx PS 或软核
硬件平台三：
- 专为TSN连接与802.1AS时间同步应用打造的硬件平台
- 两个物理以太网端口及专用主机端口
- 支持多点连接的IEEE 802.2cg 10BASE-T1S单对以太网，100/1000BASE-Tx 以太网
多功能集成：
- 10MBASE-T1S 终端站
- 100M/1000MBASE-TX 终端站
- 传统协议网关，将 CAN、LIN、SPI、I²C、I²S 桥接到以太网
- 媒体转换器，10BASE-T1 和标10/100/1000BASE-T 之间的无缝转换
- 桥接端站，多端口桥接，同步以太网通信
主要特性
- 符合IEEE 802.1AE的MACsec加密/解密
- 符合IEEE 802.1AS、Qav、Qbv、Qbu、802.1Qci
- 配备专用接收/发送通道的DMA引擎
- 时间同步与MACSec密钥协商软件包
- 小型芯片尺寸与超低功耗设计
- 符合汽车一级设计规范
