【应用】结合CAN/CAN FD和以太网AVB/TSN的车载网络解决方案，助力推进自动驾驶的发展
针对自动驾驶场景，在汽车电子等领域全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子提供了一种结合CAN/CAN FD和以太网AVB/TSN的车载网络解决方案，助力推进自动驾驶的发展。如图1所示，在瑞萨提出的方案中，将传统的负责动力系统、底座和车身等系统的骨干通信网络——控制器局域网络（CAN）通过网关将通过以太网实现的时效性网络（TSN）结合起来，达到同时满足车身控制和低时延大数据传输的需求。
图1：瑞萨提出的车载网络解决方案
CAN和CAN FD
CAN作为当前车用总线的标准，可以有效地承担车载电控单元（ECU）间的通信，传达控制信令。不过，面对越来越多的车载电子系统，传统的CAN总线无法提供足够的传输速率和带宽。于2012年发布的CAN FD协议在传统的CAN协议上做了可变速率、数据帧更长等改进，其传输速率预估要比常规CAN快上30倍，同时时延也更短。
因此，在下一代的车用总线中，CAN FD协议将被更广泛地采用，各大厂商均在开发支持CAN FD的MCU。例如，瑞萨电子于2018年发布的新一代RH850/E2x系列就支持多达10通道的CAN FD接口以及1通道的以太网接口。RH850/E2x系列是业界首款使用28nm工艺的微控制器，集成了大容量闪存，可以支持先进的网联汽车OTA软件更新。RH850/E2x拥有高达6颗400MHz处理核心和9600MIPS指令速度，强大的处理能力使其适合用于环境友好型车辆，可以支撑起节能型发动机燃油系统对控制器处理性能的要求。
AVB/TNS
汽车厂商为了让汽车具备更高的安全性，研发出了支持自适应巡航控制、车道偏离警示、换车道辅助、防撞警示等功能的高级辅助驾驶系统（ADAS）。同时，这些功能也是实现自动驾驶所不可或缺的一部分。ADAS功能的实现通常离不开多种传感器的配合，例如高清摄像头、毫米波雷达等。这些传感器与MCU之间的通信对时延的要求极高，并且通信的码率也较高。使用基于以太网技术的时效性网络（TSN）来承载这部分通信是很好的选择。
以太网AVB标准由IEEE802.1的AVB任务组制定，后更名为TSN任务组以表示拓展该工作组所涵盖的内容。AVB标准包括了时间同步及流量调度、帧抢占和入口流量限制等多个特性，其中帧抢占是TSN的最基本特性。帧抢占/穿插传输（IEEE 802.1Qbu/802.3br）允许时间要求严格的帧打断其他帧，从而达到减少延迟的目的。
瑞萨电子是全球首家在AVnu Plugfest上演示帧抢占标准合规性和互操作性的公司，开发出了多款支持AVB/TSN标准的片上系统。例如，针对车载摄像网络，瑞萨电子推出的R-Car T2 SoC能在1ms内以极低的延迟通过多个系统传输高分辨率的摄像视频，这为ADAS系统做出及时的危险检测提供了技术支撑。
图2：R-Car T2 SoC实物图
借助以太网AVU技术，R-Car T2 SoC可以将多个摄像头采集的视频信号平行地分配到多个处理设备上，能够被多个显示器和驾驶辅助设备使用。而且，R-Car T2 SoC内置有超低延迟H.264编码器，可对数字高清信号进行出色的实时传输，有效满足ADAS系统对低时延的要求。
网关设计
在此方案中，瑞萨提出使用网关进行两种协议的转换，通过硬件连接的方式实现低延迟，完成两套通信系统之间简单的数据传输。
此处，推荐瑞萨的R-Car H3 SoC进行协议转换。R-Car系列是瑞萨电子在自动驾驶汽车时代专为下一代汽车计算而设计的系统级芯片，用于汽车信息系统。R-Car H3是该系列的一款入门级产品，对于实现协议转换这一功能是完全能够胜任的。相比起前几个版本，R-Car H3在计算能力上得到了大幅提升，采用了四个Arm Cortex-A57和四个Arm Cortex-A53 CPU内核，以及一个支持双锁步（dual lock-step）的Arm Cortex-R7 CPU，可以支撑起中控显示屏、车载广播、车载DVD、车载音响等一众汽车信息系统的计算工作。
图3：R-Car H3系统框图
不过，就网关设计而言，R-Car H3提供的两通道支持CAN FD的CAN接口以及一通道兼容AVB 1.0的以太网接口可以在物理上支持网关的搭建。另外，针对软件开发，瑞萨已经构建起了具有高扩展度的汽车Linux平台，由Automotive Grade Linux（AGL）和GENIVI开源社区进行标准化，开发人员可以轻松地拓展多种应用。
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