一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构的制作方法

本发明涉及汽车领域，尤其涉及光纤车载以太网的环状网络数据通信架构。

背景技术：

随着汽车朝着智能化、安全化、个性化的方向发展，自动驾驶、无人驾驶、辅助驾驶使得智能化汽车相对于传统汽车来讲安装较多的传感器，如特斯拉的自动驾驶系统，其在车身部署至少8个车载以太网摄像头、至少10个雷达传感器(毫米波雷达、超声波雷达)等。目前汽车网络架构仍然是分布式网络架构，传感器通过总线(can总线、lin总线、lvds总线、most总线)连接交换机后，通过交换机将信号传递给ecu。如图1所示的车载以太网摄像头通过lvds总线与ecu相连接，通过ecu对车载以太网摄像头采集的图像进行接收或控制车载以太网摄像头的工作模式，每个车载以太网摄像头都是通过独立的总线与ecu相连接，加多的车载以太网摄像头必然增加线束的长度，从而引起重量的增加，再加上其它的传感器，如激光雷达、惯导、毫米波雷达等，如此众多的传感器必然带来线束长度成倍增加，线束增加一方面增加成本，另一方面增加车身重量，从而给汽车行驶增加能耗。另外一方面，智能汽车的发展对车载网络中信号或数据的传输提出了低传输延迟、高可靠性的需求。显然，传统的总线如can总线、lin总线、lvds总线、most总线都不符合这种需求，因此为解决现有技术中存在的问题，需要提供一种降低线束成本、低延时、高传输带宽的汽车网络架构，以解决目前存在的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供了一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，包括：电子控制单元、多个传感器，电子控制单元、多个传感器通过光纤车载以太网总线依次首尾相连接组成环状网络，电子控制单元发送数据经过环状网络的传感器逐个单向传播转发汇聚至电子控制单元实现数据的输入与输出，环状网络节点中传感器的传输数据集中在数据帧中。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，包括：电子控制单元、多个传感器，电子控制单元、多个传感器通过光纤车载以太网总线依次首尾相连接组成环状网络，电子控制单元发送数据经过环状网络的传感器逐个单向传播转发汇聚至电子控制单元实现数据的输入与输出，环状网络节点中传感器的传输数据集中在数据帧中；

电子控制单元、传感器都包括光纤车载以太网phy芯片，光纤车载以太网phy芯片包括光模块，phy模块；

phy模块包括多层结构，从底层到顶层，依次为自动判断协议层、物理介质相关子层、物理介质连接子层、错误修正层、物理编码子层。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，其特征在于，数据的单向传输过程中，传输数据帧的结构至少包括：帧头、帧尾、载荷数据包括用于存储周期数据区域；周期数据区域包括多个固定大小的数据块，每个固定大小的数据块用于存储对应传感器所产生的周期性数据区域。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，当数据帧经过对应节点时，节点取出发给自身的下行信号数据段，并且将上行数据段封装入对应的数据块后进行传输给下一个节点。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，环状网络中的当前传感器接收前相邻传感器的传送数据并获取所需数据后，将剩余数据与所需要传输的数据传输给后相邻传感器。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，在启动阶段，电子控制单元对处于环状网络中的节点寻址采用挂接的顺序寻址，其中，电子控制单元对第一个节点发出寻址信号后，第一个节点对收到的寻址信号做标识并传到下一个点，下一个节点获取上一个节点编号并且将编号增加1再传给下一个节点，依次类推，直到寻址数据回到电子控制单元，电子控制单元解析寻址信号获取节点的数量以及每个节点在环网中的位置。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，在启动阶段结束后，电子控制单元采用节点寻址时，电子控制单元对每个节点的传感器地址进行设置或直接读取每个节点的传感器的节点地址。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，数据的单向传输过程中，传输数据帧的结构至少包括：帧头、控制信号、载荷数据、帧尾，其中，载荷数据包括用于存储周期数据区域；

周期数据区域包括多个固定大小的数据块，每个固定大小的数据块用于存储对应传感器所产生的周期性数据区域；

载荷数据还包括非周期数据区域，用于存储非周期数据。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，在数据帧传输时，时间同步信息封装于周期数据区域，用于实现各节点的传感器同步。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，在数据帧的传输过程中，一个周期开始先采用时间片划分的方式传输完每个传感器的实时数据，实时数据结束到周期结束前的一段时间片用来传输非实时包。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，电子控制单元至少包括：第一光纤车载以太网phy芯片、第一fpga芯片、soc芯片，其中，soc芯片与第一fpga芯片相连接，fpga芯片与第一光纤车载以太网phy芯片相连接。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，第一fpga芯片通过数据通信总线接收soc芯片提供的数据，按照预设方式报文协议对数据进行调度和组帧，和/或接收第一光纤车载以太网phy芯片从传感器接收的数据帧，按照预设报文协议对来自传感器的数据帧进行解包；

第一光纤车载以太网phy芯片获取所述来自soc的数据帧，并将数据帧传送至各传感器，和/或接收传感器发送的数据帧。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，第一光纤车载以太网phy芯片包括光模块，phy模块，其中，光模块用于将接收到来自光纤车载以太网总线的光信号转化电信号后将电信号传输给phy模块，和/或将来自phy模块的电信号转化为光信号后输出至光纤车载以太网总线传输至传感器；

phy模块包括多层结构，从底层到顶层，依次为自动判断协议层、物理介质相关子层、物理介质连接子层、错误修正层、物理编码子层。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，物理编码子层负责8b/10b编码，通过xgmii口接收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出；

物理编码子层遵循一些简单的规则来封装由mac层传输的数据，物理编码子层预设代码组对每个数据包的第一个字节进行加密，预设代码组不会以正常的传输数据顺序重复；

使用8b/10b编码规则对数据帧进行编码，每个数据包以预设代码组终止，数据包包含奇数个代码组，空闲代码在数据包之间连续发送。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，传感器包括激光雷达、毫米波雷达、车载以太网摄像头、显示屏、超声波雷达中的一种或多种。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，传感器包括主功能芯片、第二fpga芯片、第二光纤车载以太网phy芯片，其中，第二fpga芯片分别与主功能芯片和第二光纤车载以太网phy芯片相连接；

主功能芯片通过mipi接口、i2c接口、gpio接口与第二fpga芯片相连接，其中，mipi接口用来传输主功能芯片产生的数据，i2c接口或gpio接口用来传输控制信号以主功能芯片的控制。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，第一光纤车载以太网芯片与第二光纤车载以太网芯片结构相同。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，第二fpga芯片通过xgmii接口、smi接口与第二光纤车载以太网phy芯片相连接，其中，xgmii接口用于传输车载以太网数据，smi接口用来配置第二光纤车载以太网phy芯片。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，第二fpga芯片通过数据通信总线接收主功能芯片提供的数据，按照预设方式报文协议对数据进行调度和组帧，和/或接收第二光纤车载以太网phy芯片从电子控制单元接收的数据帧，按照预设报文协议对来自电子控制单元的数据帧进行解包。

一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，进一步，传感器包括车载以太网摄像头，车载以太网摄像头包括图像传感器、第二fpga芯片、第二光纤车载以太网phy芯片，其中，第二fpga芯片分别与图像传感器和第二光纤车载以太网phy芯片相连接；

图像传感器通过mipi接口、i2c接口、gpio接口与第二fpga芯片相连接，其中，mipi接口用来传输图像传感器采集的图像数据，i2c接口或gpio接口用来传输控制信号以实现图像传感器的控制；

第二fpga芯片通过xgmii接口、smi接口与第二光纤车载以太网phy芯片相连接，其中，xgmii接口用于传输车载以太网数据，smi接口用来配置第二光纤车载以太网phy芯片；

图像传感器采集图像数据经过第二fpga芯片按照车载以太网的标准协议封装后送入第二光纤车载以太网phy芯片；

图像数据包括未经压缩的原始图像数据。

有益效果：

1.本发明提供的技术方案中，采用了光纤车载以太网组成的环状网络单向传输转发汇聚至电子控制单元实现数据的输入与输出，环状网络节点中传感器的传输数据集中在数据帧中。相比传统的通信方式，电子控制单元仅需要一次收、发就能够实现环状网络节点中的数据通信循环，能够获得高的传输速率1～10g/s的传输速率，同时节点网络的通信效率能够得到很大的提升。

2.本发明提供的技术方案中，数据帧采用周期性数据区域和非周期性数据区域，周期数据区域包括多个固定大小的数据块，每个固定大小的数据块用于存储对应传感器所产生的周期性数据区域。在数据的单向传输过程中，能够提升节点传感器下载和上载数据能力，从而更进一步提升通信效率，降低传感器通信的传输延迟。另外，数据帧传输过程中在一个周期内采用时间划片方法，确保实时关键数据得到优先传输，进一步降低传输延迟，在ieee1588协议的基础上进一步提高时间同步的精度。

3.本发明提供的技术方案中，在phy模块为了提升数据的传输速率，采用了较多层的数据交换结构，多层之间的匹配传输能够在高数的数据传输过程中提升数据的传输速率以及降低错误率。

4.本发明提供的技术方案中，采用了独特物理编码子层的编码方法，在帧与帧之间的传输过程中，相比于现有的技术，保证稳定的直流均衡，具备高的误码纠错能力，降低开销。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1为本发明中现有技术电子控制单元与摄像头连接的通信架构图。

图2为本发明一实施例中基于车载以太网的环状网络数据通信架构的示意图。

图3为本发明一实施例中基于车载以太网的环状网络数据通信架构中数据帧的报文结构示意图。

图4为本发明一实施例中基于车载以太网的环状网络数据通信架构中数据帧与数据帧之间连接结构示意图。

图5为本发明一实施例中电子控制单元的结构示意图。

图6为本发明一实施例中光纤车载以太网phy模块示意图。

图7为本发明一实施例中传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了对本文的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。为使图面简洁，各图中的示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

本发明中“连接”，即可包括直接连接、也可以包括间接连接、通信连接、电连接，特别说明除外。

本文中所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另作规定。还将理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”是指存在有所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组分，但是并不排除存在有或额外增加一个或多个其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组分和/或其组成的群组。作为在本文中所使用的，术语“和/或”包括列举的相关项的一个或多个的任何和全部的组合

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。

具体地，本实施例提供一种基于光纤车载以太网的环状网络数据通信架构，如图2所示，包括：电子控制单元、多个传感器，电子控制单元、多个传感器通过光纤车载以太网总线依次首尾相连接组成环状网络，电子控制单元发送数据经过环状网络的传感器逐个单向传播转发汇聚至电子控制单元实现数据的输入与输出；环状网络中的当前的传感器接收前相邻传感器的传送数据并获取所需数据后，将剩余数据与所需要传输的数据传输给后相邻传感器。

与现有技术不同的是，本发明的环状网络数据传输时单向传输，电子控制单元根据需求，发送控制信号和/或视频、音频、图像数据传输给第一与其相连接的传感器，控制信号可以包括1个节点的传感器或多个不同节点的传感器或所有节点的传感器的信号，用于对传感器进行控制。单向的传输能够提高数据的传输效率，处于环状链接路节点的传感器最终将数据汇聚至电子控制单元进行处理，即电子汇聚单元只需进行发送一次和接收一次数据就能够单次完成一个链路的一次数据传输。相比于传统的双向传输，能够降低负荷并且处理效率高。

参见图3，数据的单向传输过程中，传输数据帧的结构至少包括：帧头、控制信号、载荷数据、帧尾，其中，载荷数据包括用于存储周期数据区域和非周期数据区域；

周期数据区域包括多个固定大小的数据块，每个固定大小的数据块用于存储对应传感器所产生的周期性数据区域；

在数据帧的传输过程中，一个周期开始先采用时间片划分的方式传输完每个传感器的实时数据，实时数据结束到周期结束前的一段时间片用来传输非实时包。

在数据帧传输时，时间同步信息封装于周期数据区域，用于实现各节点的传感器同步。

优选的，另一种实时方案中，载荷数据还包括非周期数据区域，用于存储非周期数据。

优选的，周期性数据区域包括各个节点的数据，数据块的数量与节点数量相同，每个数据块对应一个节点，每个节点中的数据报文格式至少包括节点报头和节点数据。

在数据传输过程，光纤车载以太网phy层包括物理编码子层，其负责8b/10b编码，物理编码子层通过xgmii口接收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出；

具体地，物理编码子层的数据帧之间的编码结构参见图4，物理编码子层采用预设的规则来封装由数据链路层传输的数据，如图4所示，它使用特殊的代码组(称为/s/代码组)对每个数据包的第一个字节进行加密，该代码不会以正常的传输数据顺序重复，因此可以可靠地指示帧的开始。在/s/代码组之后，使用8b/10b编码规则对以太网字节进行编码，每个数据包都以特殊代码/t/终止；数据包包含奇数个代码组(从/s/到/t/计数)；在数据包之间，间隙用表示为/i/的两个符号的空闲代码组填充；空闲代码在数据包之间连续发送，以适应链路两端的时钟速率；当物理编码子层功能从数据链路层接收到带有错误(在帧传输期间插入错误)的帧时，物理编码子层通过发送/e/字符对错误进行编码。

通过以上物理编码子层的编码方法，在帧与帧之间的传输过程中，相比于现有的技术，保证稳定的直流均衡，具备高的误码纠错能力，降低开销。

另外，优选的，另外优选实施是也可以采用64b/66b、256b/257b编码。

非周期数据区域并不固态区域大小，根据节点的通信需求，按需分配。

环状网络节点中传感器的传输数据集中在数据帧中，当数据帧经过对应节点时，节点取出发给自身的下行信号数据段，并且将上行数据段封装入对应的数据块后进行传输给下一个节点。

电子控制单元与环状网络各节点中的传感器通信采用挂接的顺序寻址和节点寻址。在启动阶段，电子控制单元对处于环状网络中的节点寻址采用挂接的顺序寻址，其中，电子控制单元对第一个节点发出寻址信号后，第一个节点对收到的寻址信号做标识并传到下一个点，下一个节点获取上一个节点并且将编号增加1再传给下一个节点，依次类推，直到寻址数据回到电子控制单元，电子控制单元解析寻址信号获取节点的数量以及每个节点在环网中的位置。

采用挂接的顺序寻找虽然非常便捷、效率高，但是在环状网络中，如果节点中的传感器失效或者被移除，采用挂接的顺序寻址时电子控制单元并不知晓，在通信时有可能出现问题或者错误的发送数据。因此为了防止这种问题出现，本实施例中，在启动阶段结束后，电子控制单元采用节点寻址时，电子控制单元对每个节点的传感器地址进行设置或直接读取每个节点的传感器的节点地址。

在数据帧的传输过程中，一个周期开始先采用时间片划分的方式传输完每个传感器的实时数据，实时数据结束到周期结束前的一段时间片用来传输非实时包。

通过这种传输方法，相比于现有技术，能够提高预定义具有较少时间延迟的传感器数据传输，确保时间同步在允许的范围内。

具体地，传感器为车用传感器，例如：激光雷达、毫米波雷达、车载以太网摄像头、显示屏、超声波雷达中的一种或多种，但不限于上述产品。

本实施例中，电子控制单元的一种可选的结构为：参见图5，电子控制单元至少包括：第一光纤车载以太网phy芯片、第一fpga芯片、soc芯片，其中，soc芯片与第一fpga芯片相连接，fpga芯片与第一光纤车载以太网phy芯片相连接；

第一fpga芯片通过数据通信总线接收soc芯片提供的数据，按照预设方式报文协议对数据进行调度和组帧，和/或接收第一光纤车载以太网phy芯片从传感器接收的数据帧，按照预设报文协议对来自传感器的数据帧进行解包；第一光纤车载以太网phy芯片还包括光纤输入接口和光纤输入接口；

第一光纤车载以太网phy芯片获取所述来自soc的数据帧，并将数据帧传送至各传感器，和/或接收传感器发送的数据帧；

第一光纤车载以太网phy芯片包括光模块，phy模块，其中，光模块用于将接收到来自光纤车载以太网总线的光信号转化电信号后将电信号传输给phy模块，和/或将来自phy模块的电信号转化为光信号后输出至光纤车载以太网总线传输至传感器；

参见图6，phy模块包括多层结构，从底层到顶层，依次为自动判断协议层、物理介质相关子层、物理介质连接子层、错误修正层、物理编码子层。

物理介质相关子层将对各种实际的物理媒体完成接口，完成真正的物理连接；

物理介质连接子层进一步将物理编码子层的编码结果向各种物理媒体传送，主要是负责完成串并转换；

错误修正层对传输过程中的错误进行修正，如：添加额外的位，用于帮助恢复错误数据。

本实施例通过采用自动判断协议层使背板两侧的器件能够互换信息以发挥出彼此最大的优势。

本实施中的phy模块相比于传统的phy模块，采用了较多层结构，多层之间的匹配传输能够在高数的数据传输过程中提升数据的传输速率以及降低错误率。

参见图7，传感器包括主功能芯片、第二fpga芯片、第二光纤车载以太网phy芯片，其中，第二fpga芯片分别与主功能芯片和第二光纤车载以太网phy芯片相连接；

主功能芯片通过mipi接口、i2c接口、gpio接口与第二fpga芯片相连接，其中，mipi接口用来传输主功能芯片产生的数据，i2c接口或gpio接口用来传输控制信号以主功能芯片的控制。

具体地，主功能芯片可以根据传感器的类型进行选型，其可以是集成芯片，也可以多个芯片的组合。例如：传感器为摄像头，主功能芯片为cmos芯片或ccd芯片，或集成isp(imagesignalprocessor)、dsp(digitalsignalprocessor)芯片与cmos芯片或iso芯片。

如传感器为激光雷达，则主功能芯片包括：激光器、多通道激光驱动芯片、探测器等组成。

第二fpga芯片通过xgmii接口、smi接口与第二光纤车载以太网phy芯片相连接，其中，xgmii接口用于传输车载以太网数据，smi接口用来配置第二光纤车载以太网phy芯片。

第二fpga芯片通过数据通信总线接收主功能芯片提供的数据，按照预设方式报文协议对数据进行调度和组帧，和/或接收第二光纤车载以太网phy芯片从电子控制单元接收的数据帧，按照预设报文协议对来自电子控制单元的数据帧进行解包；

传感器包括车载以太网摄像头，车载以太网摄像头包括图像传感器、第二fpga芯片、第二光纤车载以太网phy芯片，其中，第二fpga芯片分别与图像传感器和第二光纤车载以太网phy芯片相连接；

图像传感器通过mipi接口、i2c接口、gpio接口与第二fpga芯片相连接，其中，mipi接口用来传输图像传感器采集的图像数据，i2c接口或gpio接口用来传输控制信号以实现图像传感器的控制；

第二fpga芯片通过xgmii接口、smi接口与第二光纤车载以太网phy芯片相连接，其中，xgmii接口用于传输车载以太网数据，smi接口用来配置第二光纤车载以太网phy芯片；

图像传感器采集图像数据经过第二fpga芯片按照车载以太网的标准协议封装后送入第二光纤车载以太网phy芯片；

图像数据包括未经压缩的原始图像数据。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。本领域的技术人员可以清楚，该实施例中的形式不局限于此，同时可调整方式也不局限于此。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。