CN112075063B - 用于车辆中的数据通信的网关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在车辆中进行数据通信的网关(100)。网关具有：使用第一通信协议的第一通信接口；使用第二通信协议的第二通信接口。网关被配置成，将数据从第一通信接口(111)传输到第二通信接口(112)，以及将数据从第二通信接口传输的第一通信接口。网关包括用于将服务质量信息从第一通信协议转换到第二通信协议并从第二通信协议转换到第一通信协议的媒介转换器(107)。

Description

用于车辆中的数据通信的网关

技术领域

本发明涉及一种网关，其从使用第一通信协议的通信接口向使用第二通信协议的通信接口传输数据。

背景技术

对于在车辆中的数据通信，目前使用不同的标准和协议。例如，传感器获取的数据通过控制器局域网(CAN)总线发送，多媒体数据通过面向媒体的系统传输(MOST)总线、用于执行器和传感器通信的本地互联(LIN)总线、以及用于在安全关键应用中的数据交换的FlexRay总线发送。但是，在此期间以太网标准也在机动车的车载网络中越来越重要。随着对车辆的电气化以及随之而来的机械分离的要求的增加，电气系统在决定性和品质方面的要求也越来越高。通信系统必须比以往任何时候都更能满足对安全性、可靠性和舒适性日益增长的需求。

正是鉴于以太网和互联网(IP)协议的使用越来越多，与外界的联系也变得越来越重要。数据从车辆传输到数据中心、其他车辆和沿线或远程的接收单元，相反，数据从数据中心、服务中心、沿线的传输单元或其他车辆发送到车辆。但是，在交付之后或者在需要时(例如为了安全更新)对软件的更新也应当根据可能性立即执行，并且为此提供，或者由客户自己或者通过无线电系统进行更新。

在车辆内，诸如摄像机、防撞系统的传感器产生向内和向外通信的舒适和信息娱乐数据。

与外界的接口和用于车内应用程序的标准是通用串行总线标准(USB)。典型的通信芯片仅具有总线系统USB，虽然该总线系统足够快，但是对于未来的联网要求而言是不足的。然而USB仅有条件地适合作为车辆中的总线系统。

发明内容

本发明的目的是，改善车辆的联网。该目的通过本发明的网关、具有这种网关的车辆以及方法、程序单元和计算机可读介质来实现。

根据一个实施例，提供了一种用于在车辆中进行数据通信的网关，所述网关包括使用第一通信协议的第一通信接口和使用第二通信协议的第二通信接口，其中网关被配置为将数据从第一通信接口传输至第二通信接口并且将数据从第二通信接口传输至第一通信接口，所述网关包括用于将服务质量信息从第一通信协议转换为第二通信协议，以及从第二通信协议转换为第一通信协议的媒介转换器。

转换器例如是在两个方向上传输服务质量的媒介转换器。因此，关于所传输的包的优先级的信息、即服务质量得到保留。服务质量可以从相应的标准中读取，并根据规定转化成相应另一标准的相应服务质量。

有利地，由此可以在USB与如下技术之间建立过渡：该技术能够传输USB的高数据率并且可以提供附加功能以便能够进行未来的功能和软件下载。

根据一个实施例，网关还包括时间同步电路(105、106)，其被设置为将时间同步从第一通信协议转换到第二通信协议。

车辆中的大部分现场总线以时间控制的方式运行。同步网关实现了传输时间信息以及同步的过程，以及特别是在自动化驾驶方面的调节机制。同步时基是可预测通信的重要基础。由于对Car2X和软件下载的要求，也就是说，包括自动驾驶和与例如GPS、Galileo和Glonass的同步，在USB和以太网之间创建跨总线时间同步的需求正在增加。

根据一个实施例，时间同步电路被配置为使第一通信协议的传输时钟与第二通信协议的传输时钟同步。由此，也可以使根据相应传输协议而包括多个数据包的数据帧同步。

在一个实施例中，第一通信协议包括借助于时间戳在时间上分配数据/使数据与时间关联，并且网关被设置为在将数据从第一通信协议转换为第二通信协议时将时间戳分配给所转换的数据。因此，时间戳是与数据帧相关联的绝对时间并且被保留。

根据一个实施例，接口被配置为将数据组合成数据包，并且第二接口被配置为接收数据包并且接通第一通信标准的另一接口，其中网关被配置为测量数据的传输时间。当系统对(数据)包进行通道传输时，需要测量传输时间，这是因为例如必须检查和遵守实时要求。传输时间还可以由应用程序来评估和处理，例如在依赖于时间的函数中包含测量的应用程序或者以同步为前提的应用程序。

根据一个实施例，第一通信接口的通信协议是USB，并且第二通信接口的通信协议是用于车辆技术的以太网标准。

由于车辆中在物理层面上的特殊要求，车辆技术的以太网标准与在信息技术逻辑上的以太网标准不同。物理层面上，以太网标准例如是BroadR-Reach技术，其中多个车辆车载系统可以通过未屏蔽的双绞线同时访问信息。通过BroadR-Reach，诸如例如360度全景泊车辅助、后视摄像机、避撞系统、舒适性和信息娱乐解决方案等应用程序可以借助于双绞线集成到开放和可扩展的以太网中。100Base-Tl是基于BroadR-Reach的、用于100Mbit/s的数据率的以太网接口。数据通信通过简单的、未屏蔽的芯线对(未屏蔽的双绞线、UTP)以全双工方式进行。而在媒体访问控制(MAC)级别上保持以太网帧格式。

USB的另一示例是包含通信芯片(网络接入设备、NAD)的天线模块，该通信芯片通常具有USB作为快速通信接口，但是不具有网络接口。这些网络接口可以通过根据本发明的网关连接到网络上，以便例如将软件更新加载到车辆的以太网主干网/以太网中枢中。

USB标准和以太网标准都提供了以时间戳和时间上的结构形式的、时间信息的特性以及可以相互映射/可以彼此交叠地映射的服务质量信息，这些时间戳和时间上的结构可以彼此同步和传输。将时钟设置到以太网的时间同步状态并且保持同步。

根据一个实施例，网关还包括：电源分析电路，其被配置为分析由网关提供的、与所述网关相连接的USB部件的供电电压。电源分析电路可以辨别系统是否将充当USB主机，从而为连接的部件提供能量，或者系统是否连接到其他主机。电源分析电路还可以例如借助USB配置和从以太网传输的信息来确定用于所连接的USB设备的电流值和电压值并且提供能量。

根据一个实施例，处于节能模式的部件可以连接至网关，并且网关还包括用于激活处于节能模式的部件的子网络控制单元。因此，可以在子网络/部分联网的情况下运行包括网关系统和连接的设备的系统，就是说，系统或系统的部分可以被置于节能模式中并且在再次需要时被唤醒。唤醒呼叫(“Wakeup Call”)的功能也用于所连接的设备，也就是说，系统可以从节能模式中唤醒所连接的部件。

根据一个实施例，提供了一种车辆，该车辆具有上述的网关。

根据一个实施例，提供一种用于在车辆中进行数据通信的方法，包括以下步骤：

-在使用第一通信协议的第一通信接口处接收数据，

-将服务质量信息从第一通信协议转换成第二通信协议，

-将数据传输到使用第二通信协议的第二通信接口处。

根据一个实施例，还提供一种程序单元，当在网关的处理器上执行该程序单元时，该程序单元命令/指示网关执行上述和下面描述的步骤。

根据一个实施例，还提供了一种计算机可读介质，在该介质上存储有这种程序单元。

附图说明

下面借助附图描述本发明的实施例。

图1示出根据一个实施例的装置。

图2示出根据一个实施例的网关。

图3示出根据一个实施例的服务质量分配。

图4示出根据一个实施例的用于服务质量分配的方法。

图5示出根据一个实施例的用于服务质量分配的另一方法。

图6示出根据一个实施例的时间同步的框图。

图7示出根据一个实施例的时间同步的图表。

图8示出根据一个实施例的用于处理能量等级的图表。

图9示出根据一个实施例的用于监控电压供给的图表。

图10示出根据一个实施例的双向供电的框图。

图11示出根据一个实施例的车辆。

图12示出根据一个实施例的方法。

具体实施方式

在车辆中的数据通信使用不同的标准和协议。例如，通过CAN总线发送由传感器检测的数据，通过MOST总线发送多媒体数据。但是，在此期间以太网标准也在机动车的车载网络中也变得越来越重要。

通过UTP电缆根据IEEE 802.3bu标准“Power over Data Lines(数据线供电)(PoDL)”进行供电电压的传输。在该方法中，在数据与供电电压之间的干扰最小的情况下，通过数据线为机动车部件提供供电电压。为了利用这一点，终端设备或应用程序必须与PoDL兼容，使得特定设备、网络上的供电设备可以确定需要电流的设备。这些被于是被称为用电设备(PD)。

近年来的电子电气(E-E)/架构的一个技术挑战是增加的通信接口、例如LTE、5G以及由此产生的数据率，其特别是也通过连接单元、在车辆中的控制单元与数据中心之间建立连接的匹配的硬件、用于与网络接入设备(网络接入装置、NAD)建立网络接入的天线模块或连接网关而应用在机动车中。

图1示出了根据一个实施例的装置，其具有用于在车辆中进行数据通信的网关100、根据第一通信标准101的接口111和根据第二通信标准102的接口112。第一通信标准例如是USB标准，第二通信标准是针对车辆技术特别创建的标准，例如具有根据100Base-Tl的物理层面的BroadR-Reach以太网标准。作为其它协议，除了IEEE工作组802.3bw的BroadR-Reach(100Base-Tl)之外，还存在例如工作组IEEE 802.3bp的1000Base-Tl，并且已经尝试对用于机动车以太网的甚至更高的速度实现标准化。因此，机动车以太网出色地用于传输大量数据，例如未压缩的传感器数据和闪存数据，即写入控制设备的闪存存储器中的数据。

媒体访问控制(MAC)层或网络访问例如可以根据IEEE 802.1来规定。特别地，IEEE802.1P标准规定了服务质量等级，而IEEE 802.1Q标准规定了所谓的“虚拟局域网(VLAN)标记”，其中服务质量被插入到以太网数据帧中。

图1中的微控制器103控制网关内的流程。相应标准的物理接口形成模块104和105。媒介转换器107提供将服务质量从USB向以太网传输以及相反传输的功能。在以太网中通过802.1Q可以确定服务质量的优先级，并且在USB中确定传输类型。相应通信协议的服务质量信息从数据帧中被读出、被转换并且被插入到相应另一个通信协议的数据帧中。时间同步网关105传输实时标准(例如，时间同步)数据。服务质量信息被保留。模块106中的时间同步保证了分布式处理的实施。USB和以太网之间的跨总线的时间同步使得满足了软件下载和Car2X协议的要求，因此也为自动驾驶和例如GPS的同步性提供了前提条件。通过这种转换确保了以太网和USB在车辆中的应用的时间同步。供电模块108通过数据线为上述模块提供电力。此外，USB识别要提供的输出电压以及USB设备的最大允许的电流消耗。存储器109用于缓冲数据。

图2示出根据一个实施例的典型的网关，其具有附加的模块。用于将USB转换成以太网并且相反地转换的典型的网关包括物理接口205，在该接口的线路上接收或发送数据并且确保数据的物理特性。USB设备控制器206被用于使连接的USB设备进行USB访问，并且经由“先入先出”(FIFO)控制器将待转换的数据写到相关联的静态随机存取(SRAM)存储器211，以用于缓冲数据。数据然后经由FIFO控制器从10/100/1G/10G以太网MAC模块中取出，该MAC模块控制对连接的以太网设备的访问。物理以太网接口209最后保证接口处的数据的物理特性。从以太网接口到USB接口的数据流以相应的方式实现。网关还包括测试接入点(TAP)控制器210，其用于对硬件编程和测试。具有向外的接口的EEPROM(可编程只读存储器)控制器212例如包含用于网关100的硬件或固件的配置数据。除了典型的模块之外，根据一个实施例，网关包含对于数据从物理接口205到以太网209的物理接口或逆反的方向的传输时间测量。另外的附加模块包括电源分析模块201，其一方面分析：连接的USB设备是否被配置为客户端或主机，以及为连接的USB设备分配了哪个功率等级，以便通过主机开启/关闭开关202来不提供能量或提供相应的能量。

图3示出根据一个实施例的服务质量分配的原理图，其中IEEE 802.1Q类(音频视频桥接/时间感测网络、AVB/TSN)和互联网协议——服务类型(IP-TOS)——类被分配给USB传输类型。图4中的左栏表示USB传输类型控制(“Control”)301、中断302、等时(“isochronous”)和批量(“bulk”)。图4中的右栏表示以太网优先级，其中“7”305具有最高优先级并且逐步地降低到最低优先级“0”312。图4给出了一种算法。

图4示出了根据一个实施例的方法，其中将USB服务质量与以太网服务质量相关联。在401中，开始USB传输类型的分析。在402中检查，是否是“批量”类型。如果是，则在406，将USB数据包指示为最低的优先级类别，即所谓的“尽力传送”队列(无AVB或者TSN)。如果未识别出“批量”类型，则在403中检查该类型是否为“等时”类型。如果是，则检查是否已经存在资源预留。如果是，则为数据包分配802.1Q VLAN优先级并且将其转发到相应的队列。如果不存在资源预留，则在411中，分配具有最大等待时间保证(AVB B类)的资源，然后在412中，分配802.1Q VLAN优先级并且将其转发到相应的队列。如果在403中未确定“等时”类型，则在404中检查“中断”类型。如果是“中断”类型，则检查是否存在预留。如果存在预留，则在410中，为数据包分配802.1Q VLAN优先级并且将其转发到相应的队列。如果不存在预留，则在413中预留具有最大等待时间保证(AVB A类)的资源，随后在414中为数据包分配802.1QVLAN优先级并且将其转发到相应的队列。如果在404中确定，不是“中断”类型，而是“控制”类型，并且在405中将数据包转发到网络管理队列。

图5示出了根据一个实施例的方法，其中将以太网服务质量与USB服务质量、即USB传输类型相关联。在501中，开始以太网/互联网协议(IP)进行数据传输的分析过程。在502中，检查是否是VLAN类型。如果否，则在506中检查，数据包中的IP-TOS字段是“D”、“T2”、“R”还是“C”。如果是VLAN类型，则在511中，分配传输类型“等时”。如果在506中结果为“否”，则在507中分配通信类型“批量”。如果在502中确定是VLAN类型，则在503中检查数据流是否被预留。如果是，则在508中分配传输类型“中断”。如果否，则在504中检查，是否为通信分配“网络管理”。如果是，则在509中检查通信是否是时间同步的。如果是，则在512中，将USB定时同步到以太网定时。如果在509中确定，通信未在时间上同步，则在510中分配传输类型“控制”。如果在504中确定，通信未被分配“网络管理”，则在505中分配传输类型“批量”。

图6示出了根据一个实施例的媒介转换器107中的时间同步的框图。在以太网物理层面-接口模块605处接收以太网数据块。在模块606中，再生数据的时钟，并且数据帧被转发至模块603。以太网定时从设备(802.1AS)601基于以太网时钟不仅使在帧时钟生成模块603中用于USB帧的帧时钟同步到以太网时钟，而且使数字模拟转换器604同步，该数字模拟转换器604同样从以太网物理层面-接口模块605获得数据块。USB帧发生器602最终基于同步的帧时钟生成USB数据帧。

图7示出了根据一个实施例的时间同步的图表。以1kHz的频率发送USB帧。这里所介绍的方案的目的是，将时钟设定到以太网的时间同步上并且保持同步。在该附图中的示例中，具有USB数据块702的USB帧701的USB帧频率为1kHz，而具有以太网数据块704的以太网帧703的以太网帧频率在该附图中的示例中为8kHz。以太网帧频率例如也可以为1kHz或4kHz。USB帧频率被同步到以太网帧频率。

图8示出了根据一个实施例的在向USB设备提供电压之前的通信流程800，其开始于801。在第一步骤802中，在车辆中从外部单元接收配置或者读取已经存储的配置。该配置包括诸如输入电压、要提供的输出电压以及USB设备的最大允许电流消耗的信息。在下一步骤803中，USB设备被供电以用于配置。但是，为此提供的电流强度在此还不高于500mA，以便保护整个系统免受过高的能量消耗。在下一步骤804中协商为USB设备规划的电流消耗。如果由USB设备传送的电流消耗与在配置中允许的最大电流消耗一致，或者如果该电流消耗小于最大值，则在步骤806中将由系统提供的最大电流供给与在配置中存储的允许的最大值相匹配。继续到步骤807，监控输出电压和电流(参见图9)。如果在步骤804中所传达的电流消耗与根据配置所允许的最大电流消耗不一致，则在808中向用户发送错误报告。

图9示出了根据一个实施例的电压供应的监控流程900。在902中监控输入电压是否在允许的值内，和在903中监控输出电压是否在允许的值(范围)内。此外，在904中，监控USB设备消耗的电流。在905中，在超过允许的限值的情况下，中断向终端设备供给电压，以便保护该终端设备。在906中，向用户发送错误报告，并且最终在907中结束该子过程。

图10示出根据一个实施例的能量供应单元1000的逻辑框图。该能量供给单元具有直流电压转换器(直流/直流转换器、DC/DC转换器)，其将车辆车载网络1002的电压(通常12V或24V)转换成适合于USB设备的且稳定的电压1001。在此，由控制器1004在所提供的电压1002方面监控由车辆以通过数据线路供电的方式(数据线供电、PoDL)通过以太网提供的供电电压1002。控制器1004监控为USB生成的输出电压1001和被USB消耗的电流。此外，控制器1004能够完全停止对USB设备的能量供给。这例如可以针对外部要求来进行，例如在子网络的情况。

图10示出了根据一个实施例的车辆1100，该车辆包括网关100。

图11示出了根据一个实施例的用于在车辆中进行数据通信的方法，该方法具有以下步骤

-在1101中，在使用第一通信协议的第一通信接口(111)处接收数据，

-在1102中，将数据从一种通信协议转换至第二通信协议，

-在1102中，在第二通信接口(112)处提供数据。

Claims (7)

1.一种用于在车辆中进行数据通信的网关(100)，所述网关是包括所述网关和连接的部件的系统的一部分，所述网关具有：

-使用第一通信协议的第一通信接口，

-使用第二通信协议的第二通信接口，和

-电源分析电路，其被设置成分析由网关提供的、与所述网关相连接的USB部件的供电电压，所述电源分析电路被设置成辨别以下情况之一：(a)所述系统充当USB主机从而为连接的部件提供能量，和(b)所述系统连接到其他主机，

其中，网关(100)被配置成，将数据从第一通信接口(111)传输到第二通信接口(112)，以及将数据从第二通信接口(112)传输到第一通信接口(111)，其中，

网关(100)包括用于将服务质量信息从第一通信协议转换到第二通信协议以及从第二通信协议转换到第一通信协议的媒介转换器(107)，

所述网关(100)还具有时间同步电路(105、106)，该时间同步电路被设置用于将时间同步从第一通信协议转换成第二通信协议，

时间同步电路(105、106)被设置成，将第一通信协议的传输时钟与第二通信协议的传输时钟进行同步，

第一通信协议借助于时间戳包含数据的时间关联，网关(100)被设置成，在将数据从第一通信协议转换到第二通信协议时将时间戳分配给经转换的数据。

2.根据权利要求1所述的网关(100)，其特征在于，第一通信接口被配置成，将数据组合成数据包，第二通信接口被设置成，接收数据包以及接通第一通信标准的另一接口，其中，网关被配置成，测量数据的传输时间。

3.根据权利要求1所述的网关(100)，其特征在于，第一通信接口(111)的通信协议是USB，第二通信接口(112)的通信协议是用于车辆技术的以太网标准。

4.根据权利要求1所述的网关(100)，其中，处于节能模式的部件连接至网关，所述网关还具有：

用于激活处于节能模式的部件的子网络控制单元。

5.一种车辆，其具有根据权利要求1至4中任一项所述的网关(100)。

6.一种用于在车辆中进行数据通信的方法，其具有以下步骤：

-在使用第一通信协议的第一通信接口(111)处接收数据，

-将服务质量信息从第一通信协议转换成第二通信协议，

-将数据传输到使用第二通信协议的第二通信接口(112)，以及

-借助于电源分析电路分析由网关提供的、与所述网关相连接的USB部件的供电电压，所述网关是包括所述网关和连接的部件的系统的一部分，所述电源分析电路被设置成辨别以下情况之一：(a)所述系统充当USB主机从而为连接的部件提供能量，和(b)所述系统连接到其他主机，

所述网关(100)还具有时间同步电路(105、106)，该时间同步电路被设置用于将时间同步从第一通信协议转换成第二通信协议，

时间同步电路(105、106)被设置成，将第一通信协议的传输时钟与第二通信协议的传输时钟进行同步，

第一通信协议借助于时间戳包含数据的时间关联，网关(100)被设置成，在将数据从第一通信协议转换到第二通信协议时将时间戳分配给经转换的数据。

7.一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有程序，当在网关(100)的处理器(103)上运行该程序时，所述网关是包括所述网关和连接的部件的系统的一部分，命令网关(100)实施以下步骤：

-在使用第一通信协议的第一通信接口(111)处接收数据，

-将服务质量信息从第一通信协议转换成第二通信协议，

-将数据传输到使用第二通信协议的第二通信接口(112)处，以及

-借助于电源分析电路分析由网关提供的、与所述网关相连接的USB部件的供电电压，所述电源分析电路被设置成辨别以下情况之一：(a)所述系统充当USB主机从而为连接的部件提供能量，和(b)所述系统连接到其他主机，

所述网关(100)还具有时间同步电路(105、106)，该时间同步电路被设置用于将时间同步从第一通信协议转换成第二通信协议，

时间同步电路(105、106)被设置成，将第一通信协议的传输时钟与第二通信协议的传输时钟进行同步，

第一通信协议借助于时间戳包含数据的时间关联，网关(100)被设置成，在将数据从第一通信协议转换到第二通信协议时将时间戳分配给经转换的数据。