智能座舱架构与芯片 - (3) 硬件篇 上
一、介绍
在了解智能座舱的基本架构之后，我们有必要针对智能座舱域的硬件平台，软件平台，SOC等进行逐一介绍。从它们的整体结构中去认识最新的智能座舱组成部件，以及主要功能等。
如上图，是中央计算-区域控制架构下的智能座舱硬件平台框架图，其中，智能座舱控制器CDC挂载在以太网交换机上，与其他车控域VDC，自驾域ADC，网联设备5G+V2X等通过以太网实现数据交互。而智能座舱域的外部硬件设备还包含有连接子系统，音频子系统，摄像头子系统，显示子系统，存储子系统，功能安全子系统等。作为CDC的无线连接子模块，Wi-Fi/BT 模块位于CDC内部。这些子系统共同组成了智能座舱域的硬件平台。
二、有线连接技术
2.1 车载CAN总线
CAN（Controller Area Network）控制器局域网，是BOSCH为了解决车辆增加的信号传输首先提出，也是ISO国际标准化的串行通信协议。
CAN的特点：
- 多主控制：类似广播式，在总线空闲时，所有单元都可以向总线发送报文，通过逐位仲裁来识别报文ID（标识符）的优先级，优先级高的获得发送权。
- 系统的柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。
- 远程数据请求：可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。
- 错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能：所有单元都可以检测错误，检测出的错误会立即通知其他所有的单元，正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送，强制结束发送的单元会不断反复地重新发送直到成功发送为止。
- 故障封闭：CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等），由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
- 连接：总线上连接的单元数量受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加，提高通信速度，可连接的单元数减少。
CAN BUS多用于工控和汽车领域，它结构简单，可靠性高。可以采用两根线进行传输，具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。在分布式的汽车电子电气架构中，CAN总线是用来进行ECU之间互联的主要通讯总线。来看一个CAN总线在汽车上的应用例子：
2.2 车载以太网
车载以太网的大规模应用，实际上是随着汽车的电动化，智能化发展而来的。在分布式的EEA时代，各ECU之间需要相互传输的信号量极少，使用CAN总线即可实现互联。当汽车进入智能化时代，EEA架构向中央计算-区域控制方向演进。由于汽车内使用的传感器越来越多，传输的数据量越来越大，所需带宽也越来越多，因此需要有新的网络互联技术来支撑这一变化。
为了满足中央计算机与区域控制器之间的互联要求，车载以太网被认为是一个合适的解决方案。
如上图所示，各个域控制器之间采用ETH车载以太网进行连接，而域控制器内部则还是采用星型架构。为了保证ETH传输的可靠，还要求多个域控制器之间的ETH进行互联，组成以太环网。由于ECU演进的程度不统一，它们所采用的互联技术，可能有CAN，CAN-FD，LIN，FlexRay等各种总线。而对于Camera, 显示屏等多媒体设备来说，所传输的数据量特别大，还需要采用特殊的串行-解串器进行连接。
上图所展示的还是集成式域控制器架构。整车电子电气架构按功能进行划分，分为车身域，ADAS域，信息娱乐域，底盘域，动力域等，各域控制器之间依赖中央网关进行互联。而对于中央集成-区域控制架构来说，以上的各域控制器将集中到一个中央计算机内部。各个ECU，仍然使用CAN，LIN，FlexRay等技术。它们按汽车物理区域的划分，分别挂载到不同位置的Zone区域控制器下。此时Zone起到了一个中继节点的作用，提供了以太网到其他总线的转发功能。如下图所示：
车载以太网的要点：
1. AVB
以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio/Video Bridging，又称“Ethernet AVB”，以下简称AVB）是一项新的IEEE802标准，其在传统以太网络的基础上，通过保障带宽（Bandwidth），限制延迟(Latency）和精确时钟同步（Time synchronization），以支持各种基于音频、视频的网络多媒体应用。AVB关注于增强传统以太网的实时音视频性能，同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。
车载以太网标准分两部分，一部分是最底层的 PHY 标准， 另一部分是链路层标准。
车载以太网 PHY 标准主要是制定单对双绞线标准，传统以太网与车载以太网最大不同是传统以太网需要 2-4 对线，车载以太网只需要一对。
2. TSN
TSN是时间敏感网络（Time-Sensitive Network）的英文缩写，是IEEE 802.1 TSN工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，用于指导和开发低延迟、低抖动，并具有传输时间确定性的以太网局域网，是传统以太网在汽车等特定应用环境下的增强功能实现。
进入21世纪以后，随着以太网的普及，基于以太网的多媒体应用需求与日俱增，于是2006年IEEE成立了AVB工作组，制定了一系列新的802.11技术标准，对现有以太网进行功能扩充，包括带宽保持、限制延时和精确时钟同步，提供了高质量、低延时、时间同步的音视频局域网解决方案。
随着工业4.0概念的提出和车联网时代的到来，工业和汽车对实时以太网技术的需求迅速增长，在2012年，AVB工作组更名为TSN工作组，在继承AVB已有的技术基础上，进一步针对实时通信的应用场景，制定并提出了更多可行的技术标准，籍此在未来的工业和汽车等领域继续引领以太网技术的发展。
TSN的特点：
- 时钟同步
IEEE1588 协议，又称 PTP（ precise time protocol，精确时钟协议），可以达到亚微秒级别时间同步精度，于 2002 年发布 version 1，2008 年发布 version 2。它的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行同步校正，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE1588PTP 时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。
- 低延时
汽车控制数据可以分为三种，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。 Scheduled Traffic， 如底盘控制数据，必须按照严格的时间要求送达。Best-effort Traffic，如娱乐系统数据，没有强制要求，可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过 5 毫秒，最好是 2.5 毫秒或 1 毫秒，这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处，要求低延迟。 低延迟的核心标准是 IEEE802.1Qbv 时间感知队列。
通过时间感知整形器(TAS 即 Time Aware Shaper)使 TSN 交换 机能够来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的 VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义， 然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，可知的。而在 TSN 网络的数据报文延时被得到保障。
- 高可靠性
TSN 中保证高可靠性主要依靠 802.1CB 标准。这也是无人驾 驶必须用 TSN 的主要原因，也只有 TSN 能让整个系统达到功能 安全的最高等级 ASIL D 级。对于ASIL D级别的设计来说，一般需要冗余备份系统。802.1CB 协议为两套系统间的冗余备份提供了交互机制。
对于非常重要的数据，802.1CB 会多发送一个数据备份， 这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到，在接收端把冗余帧消除，如果只接收到一帧数据，那么就进入冗余后备模式。
3. 带宽
车载以太网线束受车内EMC等的影响，目前(2023)，通过以太网线缆传输的数据带宽仍然只有1Gbps；在中央计算平台内部的以太网交换机可以提供10Gbps的传输带宽。更大的带宽仍然需要等待技术的进一步发展。
因此，采用车载以太网仍然不能全部替代车内的传感器传输线缆，尤其是用来传输摄像头，显示屏的高速音视频传输接口。在汽车产业上，针对这类数据传输需求(高带宽，低时延，节点多)，仍然只能采用点到点式的星型结构进行互联，其采用的通信接口也正是下面所讨论到的高速音视频传输接口。
2.3 高速视频传输 (FPD-Link)
为了满足智能网联汽车对多传感器的需求，需要有高速视频传输总线来将这些传感器连接到中央计算机上。这些传感器一般为视觉摄像头或者大型液晶显示屏等。它们对通信的要求是，高带宽，低时延连接。通信类型一般是点到点的方式。例如用于高级自动辅助驾驶ADAS系统的摄像头，一般为5M的 Camera Sensor，它所需要的传输带宽高达 2.5Gbps，而这样的摄像头全车需要10多个。目前的车载以太网技术根本承载不了这样的带宽需求，因此只能考虑专用点到点的连接方式。
如下图所示，摄像头和显示屏，都通过专用的高速视频传输接口连接到中央计算平台上。其中智能座舱域控制器需要连接的是座舱内部摄像头(输入)和座舱内的显示屏(输出)。其中可能会使用到不同类型的传输接口以及线缆。
车载高速音视频传输接口还有另外一个特殊的需求，即长距离传输和车内电磁兼容性设计EMC(Electro Magnetic Compatibility)。相比起个人消费类电子设备，车载传感器所使用的连接接口工作环境可谓恶劣。首先是要考虑3-10米的传输距离。一个摄像头或者一个显示屏，与车载中央计算平台的物理距离，短则1至3米，长则可达10米，一般的数据接口根本无法满足这样长的传输距离。另一方面，车内工作环境复杂，温度高，电磁干扰大，数据传输距离增加会带来信号的衰减。因此，需要有专门的数据传输技术来满足车内高速音视频传输的需求。
- FPD-Link
摄像头或者显示屏上传输的视频信号，一般都是RGB、YUV、或者raw data等图像格式的数据。按图像的数据特点来看，每个像素都由多个bit组成。在最初的图像传输接口中，采用高速并行接口来传输数据。但这样带来的问题是接插件的针数多，尺寸大，传输线缆的重量，成本都会很高；线束的安装成本也很高，长距离传输的误码率相当高，导致传输带宽受限。
因此，采用串行传输是代替这种并行传输的有效解决方法。通过把发送端的多条并行数据（包括视频和控制、语音等数据）转换成单条的串行数据，在接收端再把串行的数据转换恢复成并行视频格式和低速控制信号，就能有效解决上文所提的 “高带宽，低时延，长距离” 传输的问题 。
首先要解释一下并行传输转换为串行传输的原理。要想实现长距离的高速传输，LVDS是一种可行的技术，即低压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling)。它是一种低功耗，低误码率，低串扰和低辐射的差分信号传输技术。它通常需要通过一对信号线，以极低的电压摆幅高速差动来传输数据。
FPD-Link是基于LVDS物理层之上的一种通信标准。它的英文全称是Flat Panel Display Link，是美国国家半导体公司(后被德州仪器TI公司收购)于1996年提出的。FPD-Link I代芯片组将宽并行的RGB总线串行化为4或5对LVDS信号。 如下图所示：21根并行信号线串行化为4对LVDS信号，其中3对数据线，1对时钟线。
到了FPD-Link III的时代，TI 停止使用 LVDS 模式，而改为CML模式。它通过一对屏蔽双绞线(STP)或者一根同轴电缆(Coax)即可传输高速串行信号。它可以实现在10米的距离上传输6Gbps的数据。通过增加一对串行和解串器，在传输线上可以实现高速正向通道和低速反向通道。
正向传输通道用于以最小的延迟将串行化视频、音频或其他数据发送到端点设备。 为了实现这一点， 串行器必须重新格式化其传入的数据并嵌入数据时钟，以便可以使用更少的导体将其输出。通过利用专有的回声消除技术，FPD-Link 串行器/解串器还允许通过一个物理导体进行全双工通信。
当高速数据沿正向方向从串行器传输到解串器时，低速数据也同时传输回到串行器，而无需时分复用。 FPD-Link 串行器和解串器设备通过在链路的每一端连续抵消其自己的传输信号来自动建立该双向通道。 反向通道通常以比正向通道数据低得多的速度运行，以便于在两侧实现适当的分离，并且可以包含有关同步设备的信息、触摸中断、控制信号、状态信息等。 使用同步反向通道通信， 还可以在链路上沿正向或反向方向启用 I2C 访问或 GPIO 传输。 为了补偿通道插入损耗（该损耗可能很大，具体取决于运行速度以及所用电缆的类型或长度）FPD-Link 解串器利用多种均衡技术来恢复高频信号成分并减轻码间串扰、反射或外部噪声产生的影响。
- 自适应均衡器
高速视频信号从串行器传输到解串器的过程中经过PCB走线、连接器和线束，这些传输介质都会衰减信号幅度，增加信号噪声，而且频率越高，被影响的程度越大。 如下图所示，串行器的输出数据的眼图为左边第一幅图所示，比较清晰、干净。经过传输线以后，眼图闭合，如中间第二幅图所示。为了补偿传输介质对信号的恶化，FPD Link 器件提供了Equalizer均衡器模块。这个模块放大补偿输入信号，且对信号高频部分补偿得更多，以此来部分抵消传输通道对信号的影响。通过Equalizer之后，输入信号的眼图重新张开，如右边第三幅图所示。
由于FPD Link需要适应不同类型不同长度的线束，所以均衡器的高频增益值分多个等级，芯片会自动检测输入信号的质量，自适应地设置最佳的均衡值，这个自适应模块叫AEQ。该模块在解串器每次上电时做一次自适应补偿，所以即便线束存在老化、温漂、线束个体差异等实际差异时，AEQ 都能够自动选择出最佳的补偿等级。另外，技术人员也可以读取上电以后的AEQ 的补偿值，如果明显高于正常值，可以判断当前传输通道可能存在短路、松动、弯曲等异常情况。
AEQ内还集成有CDR（Clock Data Recovery） 电路，集成的锁相环电路锁定输入数据Incoming Data并输出降噪以后的较干净的同频率时钟Recovered Clock；同时这个干净时钟做为新的采样时钟，在Sampler上对输入数据重新采样并输出，从而达到滤除输入数据抖动、降低码间串扰、减少通道间串扰和恢复数据眼图的功能。
