簡介

汽車車載網(wǎng)絡不斷發(fā)展，以支持軟件定義車輛 (SDV) 中的新功能。隨著軟件整合到更少的電子控制單元 (ECU) 中，以增強車輛各個平臺的可擴展性并簡化無線 (OTA) 更新，一種新穎的遠程控制邊緣概念不僅優(yōu)化布線，而且支持可擴展的邊緣節(jié)點軟件。邊緣節(jié)點是對特定功能進行實時控制的專用 ECU，例如用于外部照明的前照燈模塊或用于門鎖、車窗和側后視鏡的控制模塊。這些節(jié)點在整個車載網(wǎng)絡中接收來自命令器 ECU（區(qū)域控制器，域控制器或中央計算）的命令。

邊緣節(jié)點對本地硬件控制進行管理，它監(jiān)測溫度、壓力或位置傳感器以提供控制環(huán)路反饋，同時通過負載驅動器（包括半橋以及高側和低側開關）直接控制電機和電磁閥等機械執(zhí)行器。圖 1 展示了區(qū)域架構中邊緣節(jié)點和命令器 ECU 之間的差異。

圖 1. 包括命令器 ECU 和多個邊緣節(jié)點的汽車區(qū)域架構

遠程控制邊緣架構將實時控制和硬件抽象層 (HAL) 上行游轉移到命令器 ECU，后者為傳感器和負載驅動器生成低級硬件命令并傳輸?shù)竭吘壒?jié)點。遠程控制邊緣解決方案通過串行外設接口 (SPI)、內(nèi)部集成電路(I2C)、通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 和通用輸入/輸出 (GPIO) 等低級通信接口，在 ECU 之間橋接更高級別的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層，例如以太網(wǎng)或控制器局域網(wǎng) (CAN) 等。這種方法從邊緣節(jié)點中完全移除了微控制器(MCU) 和所有軟件。

遠程控制邊緣方案支持有關 SDV 的重大趨勢，并通過將軟件集中在命令器 ECU 中同時使邊緣節(jié)點中依賴于負載的硬件靠近機電執(zhí)行器來減少線束數(shù)量。

傳統(tǒng)邊緣節(jié)點與遠程控制邊緣節(jié)點的對比

圖 2 顯示了傳統(tǒng)邊緣節(jié)點的方框圖。在傳統(tǒng)架構中，本地 MCU 包含 HAL，HAL 是定義器件軟件驅動程序如何與硬件交互的軟件。邊緣 MCU 通過網(wǎng)絡接口（通常是 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN FD) 本地互連網(wǎng)絡）接收來自控制器 MCU 的命令，并根據(jù)控制器發(fā)出的指令控制本地硬件。

例如，如果上游控制器 MCU 向邊緣 MCU 節(jié)點發(fā)送命令“升起駕駛員側車窗”，則邊緣 MCU 會將該消息轉換為特定的硬件操作，包括升起車窗、執(zhí)行車窗軟關閉以及防止可能發(fā)生的電機失速或車窗夾手事件。邊緣節(jié)點 MCU 將必要的 SPI 消息傳送到電機驅動器，并通過發(fā)送到半橋電機驅動器的脈寬調(diào)制(PWM) 輸出實施窗口電機的實時控制環(huán)路，同時使用集成式模數(shù)轉換器(ADC) 監(jiān)控電機電流并對霍爾效應脈沖計數(shù)以進行窗口位置跟蹤。

圖 2. 與命令器 ECU 進行通信的傳統(tǒng)邊緣節(jié)點方框圖

圖 3 展示了遠程控制邊緣節(jié)點方框圖。這種架構將 HAL 和實時執(zhí)行器上行移入命令器 ECU 的 MCU 中，完全消除了邊緣節(jié)點 MCU?？刂破?MCU 現(xiàn)在可以發(fā)送包括器件通信協(xié)議幀或外設控制（SPI、I2C、UART、PWM 輸出控制、ADC 采樣或 GPIO）的命令。

對于車窗升降應用，控制器通過網(wǎng)絡發(fā)送嵌入到標準通信協(xié)議數(shù)據(jù)有效載荷（CAN FD Light 或 10BASE-T1S）中的直接控制數(shù)據(jù)（SPI 電機驅動器命令和 PWM 輸出設置）。邊緣節(jié)點中的通信橋接器提取這些協(xié)議數(shù)據(jù)有效載荷并在相應的 GPIO引腳上輸出 SPI 幀和 PWM 信號。對于傳感器反饋，該橋接器對內(nèi)部或外部 ADC 和霍爾效應傳感器數(shù)據(jù)進行采樣并將數(shù)據(jù)發(fā)送回命令 ECU 以完成控制環(huán)路。

圖 3. 與命令器 ECU 進行通信的遠程控制邊緣節(jié)點方框圖

遠程控制邊緣節(jié)點的優(yōu)勢

遠程控制邊緣架構具有多種優(yōu)勢，包括實現(xiàn)軟件集中化、降低軟件開發(fā)成本、支持可擴展性和簡化 OTA 更新。此外，使用遠程控制邊緣節(jié)點可以實現(xiàn)從命令器 ECU 進行負載驅動器控制，同時最大限度減少負載接線。

遠程控制邊緣節(jié)點可通過軟件集中化降低系統(tǒng)成本。通過移除邊緣微控制器并將軟件集中到更少的 ECU 中，公司可以減少軟件開發(fā)工作量和管理開銷，減少整個車輛中多個 ECU 的測試和驗證要求。

軟件集中化還提高了可擴展性。開發(fā)人員可以僅為上游命令器 ECU 創(chuàng)建軟件，同時實現(xiàn)邊緣節(jié)點中硬件的標準化。這種標準化簡化了多個節(jié)點和 ECU 間的車輛基礎設施，而無需使用專用邊緣硬件。

圖 4 將傳統(tǒng)方法（每個邊緣節(jié)點模塊使用不同供應商提供的不同 MCU，需要跨多個平臺進行軟件開發(fā)和管理）與遠程控制邊緣方法（圖 4 中的標簽“RCE 解決方案 A、B 或 C”代表多個供應商提供的無軟件選項）進行了對比?；跇藴实慕鉀Q方案具有額外的優(yōu)勢，因為無論是哪家遠程控制邊緣解決方案供應商，命令器 ECU 的軟件都保持一致。

圖 4. 遠程控制邊緣節(jié)點與傳統(tǒng)邊緣節(jié)點的硬件可擴展性

實現(xiàn)控制集中化讓汽車制造商能夠簡化軟件管理和 OTA 更新，使他們更容易擁有和管理自己的軟件。發(fā)布 OTA 更新只需要更新命令器 ECU，不需要更新多個模塊的軟件。

使用邊緣節(jié)點而不是直接從命令器 ECU 驅動負載，縮短了連接負載驅動器的電線長度。遠程控制邊緣節(jié)點保持這一優(yōu)勢，同時還將 HAL 保留在命令器 ECU 中。圖 5 以車門為例展示了區(qū)域架構中的這種配置。盡管區(qū)域控制器控制兩個車門模塊，但車門邊緣模塊縮短了負載布線，這也有助于通過盡量減少寄生電容和電感來減少電磁干擾，對于需要更快開關時間的下一代 48V 車輛，這一點尤其重要。

圖 5. 與傳統(tǒng)邊緣節(jié)點相比，遠程控制邊緣節(jié)點的電纜減少

遠程控制邊緣節(jié)點注意事項

從事遠程控制邊緣技術研究的原始設備制造商 (OEM) 和設計人員必須考慮延遲、功能安全、網(wǎng)絡安全和成本。

延遲是一項重大設計挑戰(zhàn)。來自邊緣的數(shù)據(jù)必須上行，在上游進行決策并由邊緣處理，然后下行返回邊緣進行實施，這會增加實時控制環(huán)路的延遲。圖 6 展示了這種負載檢測和控制過程。傳統(tǒng)邊緣節(jié)點只需要完成第 2 步和第 5 步，而遠程控制邊緣解決方案實現(xiàn)了智能操作或自主輪詢等功能來減少延遲。智能操作允許橋接器件自動傳送傳感器數(shù)據(jù)，而無需命令器 ECU 初始提示，從而省略了第 1 步。自主輪詢使橋接器件能夠自動對傳感器采樣并將讀數(shù)存儲到緩沖器。因此，可以在其他步驟期間執(zhí)行第 2 步，這有助于進一步減少延遲。

圖 6. 增加延遲的遠程控制邊緣節(jié)點的通信步驟

由于不再有本地實時控制，因此可能會出現(xiàn)功能安全問題。有著嚴格要求（例如容錯時間間隔規(guī)范中的嚴格延遲要求）的邊緣應用可能難以處理上游通信延遲。作為一項較新穎的技術，第一代遠程控制邊緣器件可能無法滿足汽車安全完整性等級要求，或者可能需要采取額外措施來實現(xiàn)系統(tǒng)級的功能安全。

隨著車輛越來越依賴軟件，網(wǎng)絡安全風險也隨之增加。如果不采取適當?shù)陌踩胧?a target="_blank">黑客就能夠訪問車載網(wǎng)絡并控制全車的功能，這可能會帶來盜竊和安全風險。由于在遠程控制邊緣節(jié)點沒有 MCU 在本地管理安全，因此在遠程控制邊緣節(jié)點上實現(xiàn)網(wǎng)絡安全更為困難，因此 OEM 務必要選擇滿足其網(wǎng)絡安全需求的解決方案。

成本考慮因素必須平衡硬件和軟件費用。將目前在傳統(tǒng)邊緣節(jié)點中使用的低級 MCU 替換為遠程控制邊緣節(jié)點器件可能更加昂貴。但是，請務必記住，即使硬件成本增加，軟件開發(fā)和管理成本仍將大幅節(jié)省。

遠程控制邊緣讓汽車制造商能夠在內(nèi)部管理更多軟件，OEM 需要對一些折中進行評估。

遠程控制邊緣應用

遠程控制邊緣技術在照明、電池管理系統(tǒng)(BMS)、高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、汽車門禁和車身電機等眾多應用中提供價值。表 1 列出了這些應用和遠程控制邊緣節(jié)點的優(yōu)勢。

表 1. 各種遠程控制邊緣節(jié)點應用以及它們?yōu)槭裁捶浅＿m合

遠程控制邊緣協(xié)議

遠程控制協(xié)議解決方案包括 10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN。這些協(xié)議以半雙工模式運行，允許兩個器件之間進行非同步雙向數(shù)據(jù)傳輸。半雙工支持多點功能，即兩個以上器件在同一條總線上通信，只需要命令器 ECU 中的一個網(wǎng)絡器件與多個邊緣節(jié)點交互。圖 7 展示了一個多點拓撲示例。

圖 7. 命令器 ECU 與邊緣節(jié)點之間的多點拓撲

10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN 在速度、有效載荷容量以及多點和總線拓撲中的節(jié)點數(shù)量方面存在差異同。表 2 對這些協(xié)議進行了比較。

表 2. 10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN 遠程控制邊緣網(wǎng)絡協(xié)議間的比較

圖 8 展示了輪循拓撲和命令器/響應器拓撲之間的差異。輪詢拓撲循環(huán)運行，在每一周期，每個節(jié)點根據(jù)其節(jié)點 ID 有一個專屬傳輸機會。這樣，仲裁將自動進行，但需要進行調(diào)解以確保優(yōu)先級或時間關鍵型數(shù)據(jù)不會因總線上的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)而延遲。命令器/響應器拓撲要求命令器 ECU 在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)之前提示下游節(jié)點。傳輸順序由命令器 ECU 而不是由節(jié)點 ID 決定。

圖 8. 輪循拓撲與命令器/響應器者拓撲的傳輸比較

10BASE-T1S 由電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE) 802.3cg 實現(xiàn)標準化，它使用由技術委員會 18 制訂標準的遠程控制協(xié)議。其工作速率為 10Mbps 并采用輪詢多點拓撲。作為以太網(wǎng)協(xié)議，10BASE-T1S 可以集成以太網(wǎng)功能，例如媒體訪問控制安全 (MACSec)、時間敏感網(wǎng)絡 (TSN)、音頻視頻橋接 (AVB) 和數(shù)據(jù)線供電 (PoDL)。表 3 介紹描述了這四個功能。此外，已經(jīng)使用高速以太網(wǎng)主干網(wǎng)的系統(tǒng)可以在整個以太網(wǎng)網(wǎng)絡受益于精簡的軟件。

表 3. 列出和說明 10BASE-T1S 以太網(wǎng)功能和標準

CAN FD Light 是基于國際標準化組織 (ISO) 11898-1:2024 標準的 CAN FD 的一個版本，工作速率為 1Mbps 至 5Mbps。與遵循 CAN 仲裁（節(jié)點同時傳輸，節(jié)點 ID 最小的節(jié)點勝出）的傳統(tǒng) CAN 不同，CAN FD Light 采用命令器/響應器者拓撲運行。邊緣節(jié)點使用 CAN FD Light 響應器，命令器 ECU 使用 CAN FD Light 命令器或 CAN FD收發(fā)器。由于許多現(xiàn)有架構已經(jīng)使用 CAN FD 收發(fā)器與邊緣節(jié)點通信，因此可以輕松地將 CAN FD Light 集成到當前架構。然而，考慮到控制器仲裁階段的限制，實現(xiàn) >1Mbps 的速度需要使用 CAN FD Light 命令器。

10BASE-T1S 和 CAN FD Light 協(xié)議將以太網(wǎng)和 CAN 橋接至 SPI、I2C、UART、GPIO 和 PWM 等其他協(xié)議（請參閱圖 9）。這種橋接可通過 10BASE-T1S 和 CAN FD Light 實現(xiàn)多個傳感器和驅動器的遠程控制，使這兩種解決方案可在各種終端應用中通用。

圖 9. 10BASE-T1S 或 CAN FD Light 邊緣節(jié)點的方框圖

UART over CAN 使用 CAN 收發(fā)器通過 CAN物理層(PHY) 傳輸 UART 數(shù)據(jù)包（請參閱圖 10）。在命令器/響應器拓撲中，UART over CAN 的工作速率 ≤1Mbps，它提供了一種具有成本效益的解決方案，但依賴于基于 UART 的驅動器（例如 LED）或具有集成實時控制和診斷功能的電機驅動器。

圖 10. UART over CAN 邊緣節(jié)點的方框圖

具有集成實時控制的智能驅動器補充完善了遠程控制邊緣解決方案，它減少了上游控制要求。德州儀器(TI) 為無傳感器電機系統(tǒng)提供具有集成控制的智能電機驅動器，包括用于無刷直流 (BLDC) 電機驅動器的無傳感器磁場定向控制以及用于步進電機驅動器的集成電流檢測和失速檢測。步進電機由于旋轉精度更高，特別適合遠程控制邊緣應用，因為它們需要更少的上游診斷數(shù)據(jù)。表 4 列出了一些 TI 器件。

表 4. TI 的電機驅動器產(chǎn)品

遠程控制邊緣系統(tǒng)解決方案

圖 11 展示了使用 10BASE-T1S 或 CAN FD Light 的前照燈遠程控制邊緣節(jié)點。PHY 或響應器將以太網(wǎng)或 CAN FD Light 消息轉換為各種本地協(xié)議，控制溫度傳感器、LED 驅動器、電機驅動器和高側開關。命令器 ECU 向 PHY 或響應器提供命令，以通過 UART、SPI、GPIO 或其他協(xié)議啟用負載驅動器，從而打開和關閉執(zhí)行器。然后，PHY 或響應器上行發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行器反饋到命令器 ECU。

圖 11. 使用 10BASE-T1S 或 CAN FD Light 的遠程控制前照燈模塊方框圖

利用具有集成步進電機梯形控制功能的 TPS92544-Q1 開關 LED 驅動器和 DRV8434A-Q1 步進電機驅動器，TI 提供了采用 UART over CAN 協(xié)議的遠程控制邊緣前照燈解決方案。TPS92544-Q1 通過單個 UART 接口控制 LED 和電機，使其成為高效的前照燈模塊解決方案。如圖 12 所示，CAN 收發(fā)器用作來自命令器 ECU 的 UART 數(shù)據(jù)包的硬件介質。

這些 UART 數(shù)據(jù)包控制 TPS92544-Q1 以啟用前照燈，并驅動 DRV8434A-Q1 器件對調(diào)平電機進行步進電機運動控制。

圖 12. 使用 TPS92544-Q1 和 UART over CAN 的遠程控制前照燈模塊方框圖

結語

隨著汽車市場接受在區(qū)域架構上進行 SDV 和 ECU 整合，軟件集中化的推動力將進一步增強，從而實現(xiàn)可擴展性并減少電線數(shù)量。遠程控制邊緣節(jié)點通過將軟件上行游移動并整合到更少的 ECU 中以及簡化 OTA 更新為這一舉措提供支持。
10BASE-T1S、CAN FD Light 和 UART over CAN 等多種解決方案可為系統(tǒng)架構師提供滿足其具體設計需求的選項。此外，具有集成診斷和控制功能的智能驅動器可進一步優(yōu)化遠程控制邊緣實現(xiàn)。

關于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，從事設計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設備等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎上，使我們的技術變得更可靠、更經(jīng)濟、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導體在電子產(chǎn)品領域的廣泛應用。