CN115042729A - 一种基于车载以太网的整车ecu休眠系统及其下电方法 - Google Patents

一种基于车载以太网的整车ecu休眠系统及其下电方法 Download PDF

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宋太威
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韩冰
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    • H04L49/35—Switches specially adapted for specific applications
    • H04L49/351—Switches specially adapted for specific applications for local area network [LAN], e.g. Ethernet switches

Abstract

本发明公开了一种基于车载以太网的整车ECU休眠系统及其下电方法，该系统包括中央网关模块、车身控制模块、车载娱乐模块以及自动驾驶模块，各个模块之间采用1000BASE‑T1接口进行PHY休眠信号与光模块的信号对接，此外对整车ECU休眠系统中的设备的下电流程进行了限定，首先由以太网链路伙伴向设备发送低功率睡眠命令LPS，在确认命令数据后，启动睡眠握手，实现了全面、整体的自动下电过程，降低了功耗，增加了设备的使用时间。

Description

一种基于车载以太网的整车ECU休眠系统及其下电方法
技术领域
本发明涉及车载以太网通信技术，具体涉及一种基于车载以太网的整车ECU 休眠系统及其下电方法。
背景技术
传统汽车线束的结构相对简单，控制器连接到同一个设备，彼此之间互不干扰。然而，随着消费者对汽车功能需求的增加，汽车中电控单元(Electrical Control Unit，ECU)的数量逐渐增加，并且ECU之间的信息交换变得更加复杂。此外，随着自动数据采集系统的普及，不仅越来越多的传感器被集成到汽车中，车载摄像机和娱乐系统对车载网络的带宽和延迟时间也提出了更高的要求。
车载以太网是一种连接车内电子单元的新型局域网技术，与普通民用以太网使用的四对非屏蔽双绞线电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上课实现 100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率，同时满足汽车行业的高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。
公开号为CN112804306A的专利《基于车载以太网的汽车雷达通信装置、方法及系统》，以基于车载以太网10BASE-T1S总线技术，通过单对非屏蔽双绞线提供10Mbps的高带宽通信。
公开号为CN103168054B的专利《用于管理车辆内使用的以太网通信网络的系统和方法》，使用以太网通信的车辆嵌入式通信网络可以克服由DHCP导致的过度IP分配和IP设置时间的局限性，并确保与动态地址分配相同的网络灵活性。
然而，上述专利都是在车载以太网的基础上搭建的雷达通信、车辆管理等方向的处理系统，在功能性上较为薄弱，且在使用过程中损耗的电能较多。如果能够在整车ECU处于上电长时间不使用的条件下进入到自动下电待机状态，就能够大大节约功耗，增加正常使用的时间。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种建立在车载以太网通信上的控制整车 ECU自动下电休眠的基于车载以太网的整车ECU休眠系统及其下电方法。
技术方案：本发明的基于车载以太网的整车ECU休眠系统，该系统包括中央网关模块、车身控制模块、车载娱乐模块以及自动驾驶模块，每个模块内各设有支持多个1000BASE-T1接口的交换机，各个模块之间采用1000BASE-T1接口进行PHY休眠信号与光模块的信号对接；
车身控制模块控制车机功能运行，车载娱乐模块传输音视频数据，自动驾驶模块根据中央网关模块传输来的数据的对车辆驾驶行为进行控制。
在上述技术方案中，采用支持1000BASE-T1接口的交换机来取代CAN总线，从而保证整车的网络架构都是以太网通信，并支持TC10的休眠与唤醒，AVB/TSN 等功能，此外，该接口最高可支持1Gbps，向下兼容100Mbps。由此设计了统一的整车网络构架物理接口，减少了传统网络构架中各个模块之间不同的接口，减少了线束的种类，极大地方便了在整车调试过程中遇到不同接口传输不同的问题，同时也解决了所有整车ECU模块通信之间支持TC10休眠唤醒功能，保证了整车的低功耗要求。
在该框架下，中央网关模块作为大脑负责整车数据的传输中转，车身控制模块通过1000BASE-T1接口连接，用于控制车身比如车锁、车窗等；车载娱乐模块通过1000BASE-T1接口连接，实现音视频的数据传输等功能；与自动驾驶模块也通过1000BASE-T1接口连接，用于传输分析上传过来的数据，并进行下一步动作的控制等。
本发明所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，包括以下步骤：
(1)以太网链路伙伴向设备发送低功率睡眠命令LPS；
(2)启动链路伙伴与该设备的睡眠握手，确认两者都需要处于T1端口睡眠模式低功耗状态；
(3)在主机接口接收到来自交换机Switch的睡眠请求，其启动与链路伙伴的睡眠握手。
在上述技术方案中，对整车ECU休眠系统中的设备的下电流程进行了限定，首先由以太网链路伙伴向设备发送低功率睡眠命令LPS，结合1000BASE-T1物理系统集成的整体混合系统，能够利用回声消除来去除自身的发射信号，使得各以太网节点能够区分发送和接收的数据。
在确认命令数据后，启动链路伙伴与该设备的睡眠握手，确认两者都需要处于T1端口睡眠模式低功耗状态，随后再由主机接收来自交换机switch的睡眠请求，并启动与链路伙伴的睡眠握手，这可能是睡眠请求从一个端口转发到其他端口的结果，进而实现了全面、整体的自动下电过程，降低了功耗，增加了设备使用时间。
优选的，在步骤(1)中，发送的低功率睡眠命令LPS包含在正常1000BASE-T1 空闲中的特定加扰空闲消息。
优选的，睡眠握手的信号处理步骤为：
(1)设备向Switch发送“PHY Sleep in Progress”命令，通知Switch停止TX 流量，此处的TX流量即指数据接收端与发送端之间发送的流量信息；
(2)Switch接收到此命令后，如果没有数据包正在发送或当前数据包已完成、即如果有一个正在传输，则Switch立即停止TX流量；
(3)若TX流量已停止，则在设备及其LP进入SLEEP_SILENT、即睡眠静默状态后，设备完成睡眠握手，此后，设备及其LP进入T1端口休眠模式、即低功耗状态；
(4)若来自Switch的TX流量尚未停止，或设备和LP处于SLEEP_SILENT状态时来自LP的活动尚未停止，则睡眠请求失败；
(5)若睡眠握手已经完成，则设备发送至Switch正在睡眠的信息并准备好在Switch确认的情况下通过LPSD电路移除电源，根据以下两种情况发送命令：
(5.1)若睡眠请求是从LP发送的，则发送名为“PHY Sleep Complete Remote”的命令，指示Switch将睡眠请求转发到交换机逻辑顺序下需要接收转发睡眠命令的其他端口；
(5.2)若睡眠请求是从Switch发送的，则发送名为“PHY Sleep Complete Local”的命令，指示交换机不转发睡眠请求；
(6)若睡眠请求中止或失败，则与交换机连接的设备例如ADAS、Tbox、车身控制模块等将名称为“PHY Sleep Aborted of Failed”的嵌入式命令转发到Switch；
(7)当从PHY接收到“PHY Sleep In Progress”的命令时，Switch启动定时器，若在定时器预设时间后PHY没有发送“PHY Sleep Aborted or Failed”或“PHY SleepCompleted Local/Remote”命令，则Switch停止流量控制，以防止流量控制以及防止发送TX数据包无限期卡住；
(8)若睡眠握手完成且Switch没有接受到“睡眠完成远程/本地”命令，则在定时器预设时间后，链路断开阻止流量通过；
(9)若PHY处于SLEEP_SILENT状态时收到唤醒请求，则睡眠握手失败并发送“睡眠中止或失败”的命令终止睡眠，若唤醒请求在SLEEP_SILENT状态后的某个状态期间内到来，则唤醒请求正常运行；
(10)若睡眠握手完成并已发送到Switch，则Switch向设备发送“Switch PowerRemoval Request”命令以传达“drop INH”并移除电源，若交换机在此后断电正常，则在启动后，断电命令序列可被唤醒请求终端，若设备能够启动LPSD 断电，且一旦设备处于LPSD深度睡眠模式、也就是完全下电状态，则发送一个脉冲到WAKE_IN引脚以本地唤醒或铜媒体端上的活动远程唤醒，签署的“drop INH”命令即使电源使能拉低，关闭电源，发送一个脉冲的设计可以降低功耗，在第一个设备唤醒后，连接电源使能的INH拉高使电源上电，唤醒其他设备；
(11)若交换机断电不正常，则不发送“Switch Power Removal Request”命令，设备及其LP保持在T1端口休眠模式，在睡眠握手完成或睡眠握手失败之前， Switch无法强制断电。
优选的，在步骤(2)中，发送的数据为设备与Switch的传输数据，包括Tbox 传输到Switch的流量数据、ADAS传输到车身模块的摄像头雷达扫描数据。
优选的，在步骤(7)中，定时器的预设时间为20ms。
优选的，在步骤(7)中，若睡眠握手终止或失败，且Switch未接收到“SleepAborted or Failed”命令并链路仍在运行，则允许流量通过，这样同样也是能够防止链路流量无限期卡住，出于安全原因设计。
优选的，在步骤(9)中，所述的某个状态期间包括Low Power、即低功耗状态和DeepSleep、即深度睡眠状态。
优选的，设备不会自行退出T1端口休眠模式，必须执行以下操作之一可使设备退出端口休眠模式，包括：
a：设备唤醒请求寄存器位由交换机写入；
b：Switch发送“Switch Wake Request”命令；
C：在WAKE_IN引脚中发送一个脉冲。
优选的，重新上电后，Switch向其他任意指定端口发送唤醒请求，若PHY 从铜媒体端或寄存器位设置接收到远程唤醒请求，则PHY向Switch发送唤醒请求，Switch根据其转发逻辑对此进行中继。
有益效果：本发明与现有技术相比，其具有的优点：
1、当整车ECU处于上电长时间不使用的条件下可自动下电休眠，大大节约了功耗，增加了正常使用的时间；
2、采用1000BASE-T1取代CAN总线，保证整车的网络构架都是以太网通信，支持TC10休眠与唤醒、AVB/TSN等功能；
3、设计了统一的整车网络构架物理接口，减少了传统网络构架中各个模块之间不同的接口，减少了线束的种类，极大地方便了在整车调试过程中遇到不同接口传输不同的问题
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明中车载以太网的整车ECU休眠系统框架；
图2为本发明中深度睡眠模式下的待机电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统，该系统包括车身控制模块、中央网关模块、车载娱乐模块以及自动驾驶模块(ADAS)，每个模块内各设有支持多个1000BASE-T1接口的交换器(SWITCH)，各个模块之间采用 1000BASE-T1接口进行PHY唤醒信号与光模块的信号对接。
在中央网关模块、车载娱乐模块以及自动驾驶模块中也对应设置有CPU、 MAC和控制器，MAC与CPU之间通过RGMII连接，控制器与CPU之间通过PCle 连接。中央网关模块单独连接有车机T-Box模块，整车的网络框架中，各个模块之间就是通过PHY与PHY之间的1000BASE-T1连接的。该方式最高可支持1Gbps，向下兼容达到了100Mbps，由此设计了统一的整车网络构架物理接口，减少了传统网络构架中各个模块之间不同的接口种类以及数量，进而减少了线束的种类，极大地方便了整车调试过程中遇到不同接口传输不同的问题，同时也解决了所有整车ECU模块通信之间支持TC10休眠唤醒功能，保证了整车的低功耗要求。
其中，中央网关模块作为大脑负责整车数据的传输中转，车身控制模块通过1000BASE-T1接口连接，用于控制车身比如车锁、车窗等；车载娱乐模块通过 1000BASE-T1接口连接，实现音视频的数据传输等功能；与自动驾驶模块也通过 1000BASE-T1接口连接，用于传输分析上传过来的数据，并进行下一步动作的控制等。
通过上述方案即可实现整车ECU均可通过中央网关以及以太网实现接收休眠唤醒命令。
本发明所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，包括以下步骤：
(1)以太网链路伙伴向设备发送低功率睡眠命令LPS、该LPS即为睡眠请求，由请求转换到睡眠的节点/网关发送，最少为64bits；
(2)启动链路伙伴与该设备的睡眠握手，确认两者都需要处于T1端口睡眠模式低功耗状态；
(3)在主机接口接收到来自交换机Switch的睡眠请求，其启动与链路伙伴的睡眠握手。
在上述技术方案中，对整车ECU休眠系统中的设备的下电流程进行了限定，首先由以太网链路伙伴向设备发送低功率睡眠命令LPS，结合1000BASE-T1物理系统集成的整体混合系统，能够利用回声消除来去除自身的发射信号，使得各以太网节点能够区分发送和接收的数据。
在确认命令数据后，启动链路伙伴与该设备的睡眠握手，确认两者都需要处于T1端口睡眠模式低功耗状态，随后再由主机接收来自交换机switch的睡眠请求，并启动与链路伙伴的睡眠握手，这可能是睡眠请求从一个端口转发到其他端口的结果，进而实现了全面、整体的自动下电过程，降低了功耗，增加了设备使用时间。
上述的睡眠握手的信号处理步骤为：
(1)设备向Switch发送“PHY Sleep in Progress”命令，通知Switch停止TX 流量，此处的TX流量即指数据接收端与发送端之间发送的流量信息；
(2)Switch接收到此命令后，如果没有数据包正在发送或当前数据包已完成、即如果有一个正在传输，则Switch立即停止TX流量，其中，发送的数据为设备与Switch的传输数据，包括Tbox传输到Switch的流量数据、ADAS传输到车身模块的摄像头雷达扫描数据；
(3)若TX流量已停止，则在设备及其LP进入SLEEP_SILENT、即睡眠静默状态后，设备完成睡眠握手，此后，设备及其LP进入T1端口休眠模式、即低功耗状态；
(4)若来自Switch的TX流量尚未停止，或设备和LP处于SLEEP_SILENT状态时来自LP的活动尚未停止，则睡眠请求失败；
(5)若睡眠握手已经完成，则设备发送至Switch正在睡眠的信息并准备好在Switch确认的情况下通过LPSD电路移除电源，根据以下两种情况发送命令：
(5.1)若睡眠请求是从LP发送的，则发送名为“PHY Sleep Complete Remote”的命令，指示Switch将睡眠请求转发到交换机逻辑顺序下需要接收转发睡眠命令的其他端口；
(5.2)若睡眠请求是从Switch发送的，则发送名为“PHY Sleep Complete Local”的命令，指示交换机不转发睡眠请求；
(6)若睡眠请求中止或失败，则与交换机连接的设备例如ADAS、Tbox、车身控制模块等将名称为“PHY Sleep Aborted of Failed”的嵌入式命令转发到Switch；
(7)当从PHY接收到“PHY Sleep In Progress”的命令时，Switch启动定时器，若在定时器预设时间(可设置为20ms)后PHY没有发送“PHY Sleep Aborted or Failed”或“PHYSleep Completed Local/Remote”命令，则Switch停止流量控制，以防止流量控制以及防止发送TX数据包无限期卡住，若睡眠握手终止或失败，且Switch未接收到“Sleep Aborted orFailed”命令并链路仍在运行，则允许流量通过，这样同样也是能够防止链路流量无限期卡住，出于安全原因设计；
(8)若睡眠握手完成且Switch没有接受到“睡眠完成远程/本地”命令，则在定时器预设时间后，链路断开阻止流量通过；
(9)若PHY处于SLEEP_SILENT状态时收到唤醒请求，则睡眠握手失败并发送“睡眠中止或失败”的命令终止睡眠，若唤醒请求在SLEEP_SILENT状态后的某个状态期间内到来，则唤醒请求正常运行，某个状态期间包括Low Power、即低功耗状态和Deep Sleep、即深度睡眠状态；
(10)若睡眠握手完成并已发送到Switch，则Switch向设备发送“Switch PowerRemoval Request”命令以传达“drop INH”并移除电源，若交换机在此后断电正常，则在启动后，断电命令序列可被唤醒请求终端，若设备能够启动LPSD 断电，且一旦设备处于LPSD深度睡眠模式、也就是完全下电状态，则发送一个脉冲到WAKE_IN引脚以本地唤醒或铜媒体端上的活动远程唤醒，签署的“drop INH”命令即使电源使能拉低，关闭电源，发送一个脉冲的设计可以降低功耗，在第一个设备唤醒后，连接电源使能的INH拉高使电源上电，唤醒其他设备，如图2所示，该图为深度睡眠模式、也就是完全下电状态下只有一个待机电路提供极其微弱的电流的待机电路图；
(11)若交换机断电不正常，则不发送“Switch Power Removal Request”命令，设备及其LP保持在T1端口休眠模式，在睡眠握手完成或睡眠握手失败之前， Switch无法强制断电。
此外，该设备不会自行退出T1端口休眠模式，必须执行以下操作之一可使设备退出端口休眠模式，包括：
a：设备唤醒请求寄存器位由交换机写入；
b：Switch发送“Switch Wake Request”命令；
C：在WAKE_IN引脚中发送一个脉冲。
在重新上电后，Switch向其他任意指定端口发送唤醒请求，若PHY从铜媒体端或寄存器位设置接收到远程唤醒请求，则PHY向Switch发送唤醒请求，Switch 根据其转发逻辑对此进行中继。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于车载以太网的整车ECU休眠系统，其特征在于，该系统包括中央网关模块、车身控制模块、车载娱乐模块以及自动驾驶模块，每个模块内各设有支持多个1000BASE-T1接口的交换机，各个模块之间采用1000BASE-T1接口进行PHY休眠信号与光模块的信号对接；
所述车身控制模块控制车机功能运行，所述车载娱乐模块传输音视频数据，所述自动驾驶模块根据所述中央网关模块传输来的数据的对车辆驾驶行为进行控制。
2.一种基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以太网链路伙伴向设备发送低功率睡眠命令LPS；
(2)启动链路伙伴与该设备的睡眠握手，确认两者都需要处于T1端口睡眠模式低功耗状态；
(3)在主机接口接收到来自交换机Switch的睡眠请求，其启动与链路伙伴的睡眠握手。
3.根据权利要求2所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，在步骤(1)中，发送的低功率睡眠命令LPS包含在正常1000BASE-T1空闲中的特定加扰空闲消息。
4.根据权利要求2所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，睡眠握手的信号处理步骤为：
(1)设备向Switch发送“PHY Sleep in Progress”命令，通知Switch停止TX流量；
(2)Switch接收到此命令后，如果没有数据包正在发送或当前数据包已完成，则Switch立即停止TX流量；
(3)若TX流量已停止，则在设备及其LP进入SLEEP_SILENT、即睡眠静默状态后，设备完成睡眠握手，此后，设备及其LP进入T1端口休眠模式、即低功耗状态；
(4)若来自Switch的TX流量尚未停止，或设备和LP处于SLEEP_SILENT状态时来自LP的活动尚未停止，则睡眠请求失败；
(5)若睡眠握手已经完成，则设备发送至Switch正在睡眠的信息并准备好在Switch确认的情况下通过LPSD电路移除电源，根据以下两种情况发送命令：
(5.1)若睡眠请求是从LP发送的，则发送名为“PHY Sleep Complete Remote”的命令，指示Switch将睡眠请求转发到交换机逻辑顺序下需要接收转发睡眠命令的其他端口；
(5.2)若睡眠请求是从Switch发送的，则发送名为“PHY Sleep Complete Local”的命令，指示交换机不转发睡眠请求；
(6)若睡眠请求中止或失败，则将名称为“PHY Sleep Aborted of Failed”的嵌入式命令转发到Switch；
(7)当从PHY接收到“PHY Sleep In Progress”的命令时，Switch启动定时器，若在定时器预设时间后PHY没有发送“PHY Sleep Aborted or Failed”或“PHY Sleep CompletedLocal/Remote”命令，则Switch停止流量控制；
(8)若睡眠握手完成且Switch没有接受到“睡眠完成远程/本地”命令，则在定时器预设时间后，链路断开阻止流量通过；
(9)若PHY处于SLEEP_SILENT状态时收到唤醒请求，则睡眠握手失败并发送“睡眠中止或失败”的命令终止睡眠，若唤醒请求在SLEEP_SILENT状态后的某个状态期间内到来，则唤醒请求正常运行；
(10)若睡眠握手完成并已发送到Switch，则Switch向设备发送“Switch PowerRemoval Request”命令以传达“drop INH”并移除电源，若交换机在此后断电正常，则在启动后，断电命令序列可被唤醒请求终端，若设备能够启动LPSD断电，且一旦设备处于LPSD深度睡眠模式，则发送一个脉冲到WAKE_IN引脚以本地唤醒或铜媒体端上的活动远程唤醒；
(11)若交换机断电不正常，则不发送“Switch Power Removal Request”命令，设备及其LP保持在T1端口休眠模式，在睡眠握手完成或睡眠握手失败之前，Switch无法强制断电。
5.根据权利要求4所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，在步骤(2)中，发送的数据为设备与Switch的传输数据，包括Tbox传输到Switch的流量数据、ADAS传输到车身模块的摄像头雷达扫描数据。
6.根据权利要求4所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，在步骤(7)中，定时器的预设时间为20ms。
7.根据权利要求4所述的基于车载以太网的整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，在步骤(7)中，若睡眠握手终止或失败，且Switch未接收到“Sleep Aborted orFailed”命令并链路仍在运行，则允许流量通过。
8.根据权利要求4所述的基于车载以太网整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，在步骤(9)中，所述的某个状态期间包括Low Power、即低功耗状态和Deep Sleep、即深度睡眠状态。
9.根据权利要求4所述的基于车载以太网整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，设备不会自行退出T1端口休眠模式，必须执行以下操作之一可使设备退出端口休眠模式，包括：
a：设备唤醒请求寄存器位由交换机写入；
b：Switch发送“Switch Wake Request”命令；
C：在WAKE_IN引脚中发送一个脉冲。
10.根据权利要求4所述的基于车载以太网整车ECU休眠系统的设备下电方法，其特征在于，重新上电后，Switch向其他任意指定端口发送唤醒请求，若PHY从铜媒体端或寄存器位设置接收到远程唤醒请求，则PHY向Switch发送唤醒请求，Switch根据其转发逻辑对此进行中继。
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