特斯拉专利主题报道-车辆网络和通信方法
北冥有鱼
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2020.06.07
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2020年4月23号,特斯拉《车辆网络和通信方法》专利公布(专利公开号:US20200127941A1),该专利涉及一种车辆网络中的通信方法。

特斯拉该专利“公开了一种车辆网络中的通信方法。一种示例方法包括在TDMA周期中发送网络分配图,指示在TDMA周期中预留时隙。该方法还包括在TDMA周期中发送同步信号,以同步车辆网络中节点的定时。每个保留时隙由车辆网络中的发送节点的至少一个网络ID和包括低延迟业务时隙和大容量业务时隙之一的时隙类型来标识。此外,在TDMA周期中重复低延迟业务时隙的频率至少与保证的QoS延迟参数相同。此外,批量业务时隙至少与保证的QoS吞吐量参数一样长。

传统的车辆网络在车辆计算机和各种车辆子系统之间有大量的点对点连接。通常,这种拓扑结构的线束天生就很复杂,而且往往难以安装和排除故障。现代车辆有不同种类的数据流量,如传感器数据、执行器和控制信号,以及多媒体流量。传感器和控制信令通常需要低延迟,数据量小。因此,传感器和控制信令数据需要在更小的通信单元(例如数据分组或时隙)中更频繁地通信。相反,从传感器本身收集的数据,例如多媒体业务,需要更大的通信单元(例如,数据包或时隙),但可能对车辆的运行不重要。因此,多媒体业务可以被视为低优先级的大容量业务。建议将不同类别的通信业务彼此区分,以确保每种数据业务类型满足服务质量(QoS)标准,以便车辆系统正常运行。因此,需要车辆通信网络和通信方法来减轻这些和其他现有技术的缺点。

特斯拉该专利“涉及一种车载网络系统,以及在网络的各个组件之间部署的通信方法。在一些实施例中,车辆车载网络可以使位于车辆内的传感器、设备、模块、系统、处理元件和类似组件(这里称为“节点”)的信息能够传输和路由。例如,传感器可以包括位于车辆内的温度传感器。由该传感器测量的温度可经由车载网络传送到另一位置(例如,中央处理系统或温度控制系统)。作为另一示例,传感器可以与车辆的门相关联。在此示例中,传感器可指示门的位置(例如,门是关闭的还是门的角度)。与先前的技术相比,本文描述的车载网络可以使用降低的复杂度来实现这种传输。此外,与先前的技术相比,车载网络可以允许更高的其它类型数据的传输速率。

用于在车辆中传输信息的先前技术示例包括使用控制器局域网(CAN)总线。CAN总线可以使微控制器和设备能够通信,例如基于消息的协议,但是它引入了技术缺陷。例如,CAN总线仅以数据传输速率运行,这对于需要高速通信以控制各种部件的现代车辆来说可能是不可接受的。在本示例中,CAN总线上的数据传输速率可以限制为每秒1兆位。此外,与使用CAN总线相关的布线和处理复杂度很大。

该专利描述的:“车载网络允许比CAN总线更高的数据传输速率,同时有利地降低布线复杂性。在一些实施例中,可以使用可在多个节点之间共享的改进总线。例如,改进的总线可以由包括在车辆中的节点的子集或全部共享。在该示例中,改进的总线可以在包含在同一组节点(例如,如下所述的域)中的节点之间共享。为了确保改进后的总线被有效地使用,车载网络可以使用时分多址(TDMA)技术。在一些实施例中,可以使用网络分配图来通知节点可以通过改进的总线发送信息的时间。如将要描述的,网络分配映射可以包括可分配给节点的TDMA时隙预留。因此,车载网络可以允许从多个节点及时、可靠地传输信息。

随着时间的推移,可以将附加节点快速添加到改进的总线以增强车辆。例如,可以将传感器添加到可用于通知与安全带相关联的安全性的车辆上。在该示例中,传感器可以通信地耦合到改进的总线及其使用本文所述的TDMA网络发送的信息。例如,传感器可以根据网络分配图发送信息,该网络分配图在与改进的总线通信地耦合的其他节点之间共享。

这样,可以通过上述TDMA时隙预留来降低与共享一个或多个电气连接(例如,电线)的总线相关联的复杂性。例如,由于至少部分地可以使用网络分配图来控制改进总线的使用,因此可以更简单地使用阈值数量的线(例如,4、6等)来形成改进总线。然后,这些电线可穿过车辆或车辆的特定区域。因此,与更复杂的先验技术相比,布线和处理复杂度可以降低。

如上所述,根据本发明的各种实施例的车载网络可以是时分多址(TDMA)网络。在TDMA车载网络上的数据以具有预定的、固定持续时间的时隙的数据分组来传输。车载网络中的节点与中央时钟同步。这种同步的、保留的TDMA通信方案允许有保证的QoS通信、避免分组冲突和在同一时隙中的竞争传输。

图1示出了根据某些实施例的车辆通信网络100。“车辆通信网络100被组织成多个域102A、102B和102C,每个域102可以表示多个通信节点的逻辑分组,其提供用于在车辆内传输数据的改进总线。例如,车辆中的一种逻辑分组方案可以是根据车辆部件位置分组节点,例如但不限于车辆左前方、车辆右前方、车辆座舱左侧、车辆座舱右侧、车辆行李箱等。另一个示例逻辑分组可根据车辆子系统(例如,空调、温度、某些安全系统、外部照明、内部照明等)进行。还设想了用于在车辆通信网络100中形成域的逻辑分组的其他方案,并且属于本公开的范围。多个域102可以使用数据网络的桥接方法彼此连接。

每个域102包括一个或多个节点104。每个节点104可以是与车辆中的其他模块通信的车辆模块。车辆模块的示例包括门、座椅、电池组、前端模块、前副车架模块、后副车架模块等。每个模块可以包括各种传感器和/或执行器,例如碰撞传感器、压力传感器、温度传感器、车轮转速传感器、安全气囊充气器、HVAC系统、牵引力电子设备等。

一些节点可能对车辆的安全运行至关重要,例如安全气囊系统、牵引力电子设备、车辆稳定性系统等。这样的节点,例如节点106可以在容错配置中连接,具有与两个独立域的物理连接。该配置在节点106可能无法通过一个域与其他车辆系统通信的情况下提供故障转移能力。”

图 1

一些节点108还可以包括分层子网,包括更多的子节点,其可以与对车辆通信网络100透明的节点108通信。例如,这种分层子网有助于将模块分组到特定的车辆位置,例如车门中的各种传感器和电子设备。通常,这样的分层子网可以部署在例如不经常通信的车辆模块中,或者仅通信小于车辆通信网络100中可用的最小数据时隙的数据。

每个域可以有一个域主机110和一个备份域主机112。域主机110是用于管理车辆通信网络100中的通信资源的特殊类型的节点,并且可以实现媒体访问控制(MAC)协议。与域主机110相比,备份域主机112具有相同或接近相同的能力,并且在域主机110发生故障时被指定为故障转移节点。

节点104、106、108、域主机110和备份域主机112都通过域内的单个物理导电介质116互连。在各种实施例中,单个物理导电介质116可以是车辆DC功率输送导体。例如,车辆通信网络100可以实现为电力线通信(PLC)网络。在该示例中,网络100可以通过车辆内的电源连接(例如,DC电源连接)来提供。

每个节点104、106和108包括各种车辆传感器和执行器,以及用于通过车辆通信网络100与其他节点通信的调制解调器。

图2示出了根据某些实施例的用于车辆通信网络100中的调制解调器200的功能框图。“调制解调器200支持两种类型的通信量:低延迟通信量,通常具有低吞吐量(例如,不超过1 Mbps)和低延迟保证(例如,500微秒或更少);高吞吐量通信量(例如,50 Mbps),具有较低的延迟要求(例如,40毫秒)。在其他实施例中,调制解调器200支持三种或三种以上的业务类别。

图 2

调制解调器200包括物理层处理器202、MAC处理器204、内部存储器206和各种接口。这些接口包括主机接口208、通信模拟核心210、通用异步接收器发射机(UART)212、联合测试动作组(JTAG)接口214、通用I/O(GPIO)接口216和闪存接口218。调制解调器200还包括锁相环(PLL)模块220,用于将调制解调器定时与中央时钟同步。调制解调器的各种处理器和接口通过公共总线结构212彼此通信。调制解调器包括集成电源管理模块214,该模块向调制解调器的各种处理器和接口提供电源。

根据各种实施例,物理层处理器202可以是OFDM处理器。物理层处理器202可以包括例如逆快速傅里叶变换(IFFT)模块和前向纠错(FEC)模块。在各种实施例中,OFDM处理器在2mhz到50mhz的通带信道中操作。然而,根据设计的网络吞吐量和信道损耗,也可以设想其他信道。

在一个实施例中,物理层处理器202支持低延迟分组,其有效载荷被编码在分组报头中。这样的低延迟数据包通常很小。示例性低延迟分组包括16字节或32字节的有效载荷数据,以及3字节的源ID、目的地ID和分组类型字段。在2 MHz到50 MHz的示例性信道中,示例性35字节低延迟分组可能需要小于或等于25微秒的时隙。

MAC处理器204处理通信的MAC层处理。MAC处理器204可以包括MAC层处理单元和跨层处理单元。MAC处理器204可以实现基于TDMA的MAC层。在各种实施例中,MAC处理器204被配置成在精益模式下操作,其中来自不同节点104的多个物理层帧可以用最小的MAC开销来组装。为了进一步提高延迟性能,MAC处理器204可以支持有和没有确认机制(例如ACK响应)的数据帧的传输。在传输需要ACK响应的实施例中,ACK帧可以设计为短的,例如2个OFDM符号。

在各种实施例中,MAC处理器204可以具有支持低延迟通信分组的专用硬件,从而进一步改进低延迟业务的延迟参数。

内部存储器206可以包括SRAM存储器或DRAM存储器。内部存储器206是用于物理层处理器202和MAC处理器204的各种操作和数据缓冲的主存储器。内部存储器206还可以包括用于保存诸如TDMA网络分配图之类的持久数据的闪存。在实施例中,内部存储器206是闪存。内部存储器206可以存储调制解调器200是其一部分的节点的网络ID。调制解调器200是其一部分的节点的网络ID可以在初始设置或重新配置时由主机控制器(或集线器)发送。

主机接口208可以包括串行外围接口(SPI),用于与中央主机控制器通信(未示出;这里也称为集线器)。在实施例中,主机接口208可用于向映射到调制解调器200的TDMA网络分配发送信号,并用于将固件更新推送到调制解调器200。主机接口208可以包括双SPI-SPI0和SPI1。在一些实施例中,双接口可以被部署为故障转移模式的冗余接口。在其他实施例中,双接口可以被部署为补充接口,使得SP0是主接口,并且SP1可以在需要时用于附加业务。

主机接口208还可以包括以太网接口,该以太网接口使用简化的千兆媒体独立接口(RGMII)实现。因此,RGMII以太网接口可以允许MAC处理器204与外部物理层以太网芯片(未示出)耦合,而不依赖于介质(例如,双绞线、同轴或光纤等)。

通信模拟芯210是用于与外部网络电缆或导体耦合的前端模块(如图2中的通信线所示)。在一些实施例中,通信模拟核心210符合电力线通信(PLC)通信标准。通信模拟核心210可以支持差分信令或单端信令,或者两者都支持,并且能够配置信令模式。例如,调制解调器200可以基于调制解调器是发送/接收低延迟数据分组,还是高吞吐量批量数据分组,或者基于网络电缆/导体的线路条件,在差分信令模式和单端信令模式之间切换。

在一些实施例中,通信模拟核心210可以耦合到外部线路驱动器。在其它实施例中,通信模拟核心210可以包括线路驱动器,使得不需要外部硬件来进一步放大信号。此外,终端电阻器可以集成到通信模拟芯210中,或者可以外部连接到通信模拟芯210。

调制解调器200还可以利用其他接口,例如UART 212、JTAG 214和GPIO 216来进行测试和调试。

闪存接口218可用于为调制解调器200闪存持久数据。这种持久性数据可以包括TDMA网络分配图、模拟核心210的配置信息等。flash接口218可以是根据一个实施例的SPI。flash接口218可以可通信地耦合到主机控制器(或集线器)、或到用于连接flash编程工具的外部端口,或两者。

调制解调器200还包括一个或多个PLLs 220。PLL 220被配置成与主机控制器(或集线器)保持同步,并且因此与车辆通信网络100的所有其它节点104保持同步。在一些实施例中,PLL 220可从主机控制器(或集线器)接收固定频率时钟信号,例如25mhz时钟信号,以通过基于所接收的同步信号调整节点的定时电路来保持定时同步。

调制解调器200的各种处理器、接口和存储器可以通过总线结构222可通信地彼此耦合。在一些实施例中,调制解调器200可以在特定时间经由总线结构222通信。例如,调制解调器200可以使用网络分配映射经由总线结构222提供信息。

集成电源管理模块224是用于向调制解调器200的各种处理器、接口和存储器提供电源的电源控制器。集成电源管理模块224还可以提供控制信号,以便在需要时将调制解调器200切换到省电模式或睡眠模式。

在一些实施例中,调制解调器200可以在TDMA周期中接收网络分配图,并从网络分配图中识别为相关节点传输而预留的特定时隙。调制解调器200可以访问内部存储器206,并将接收到的网络ID与存储在存储器206中的网络ID进行比较,以识别是否已将TDMA时隙分配给自己。

调制解调器200缓冲要预先发送的数据,并且在识别出的时隙预留处,调制解调器200发送缓冲的数据。

如果调制解调器200没有标识要由其节点传输的时隙预留,则调制解调器将自身排除在传输缓冲数据之外。此实现可能有助于隔离故障,并使故障节点脱机,以免干扰车辆中其他节点的操作。”

图3是要在各种实施例中使用的示例性TDMA周期300的逻辑表示。“TDMA周期可以包括周期开始指示符302、映射区域304和用于节点数据306的部分。周期开始指示符302和MAP区域304一起构成周期的不变部分,并且对在车辆通信网络100中发送的每个TDMA周期300准确地重复。

图 3

循环开始指示器302是指示TDMA循环300开始的固定符号。周期开始指示符可以为所有节点104所知,使得节点104能够容易地检测TDMA周期300的开始。循环开始指示符302还可以用作故障保护,以确保节点104(例如调制解调器200)与主机控制器(或集线器)同步。如果节点104(或调制解调器200)没有在其指定的时隙处检测到已知的TDMA周期开始指示符302,则调制解调器200可以确定其与主机控制器(或集线器)不同步,并且可以启动同步过程以重新获得与主机控制器(或集线器)的同步。

]映射区域304为整个TDMA周期300分配TDMA时隙。映射区域304包括TDMA网络分配映射和由主机控制器(或集线器)提供的网关ID。TDMA网络分配图在区域中为节点数据306保留TDMA时隙,以便节点104通过车辆通信网络100彼此通信。TDMA网络分配图定义在给定的TDMA时隙中通信的节点对、TDMA时隙的业务类型(无论是针对低延迟业务还是针对高吞吐量批量业务)以及TDMA时隙分配的持续时间。

根据本发明的各种实施例,主机控制器或集线器为车辆通信网络100中的各个节点104预留TDMA时隙。然后,主机控制器或集线器使用网络分配图将TDMA时隙分配发送到网络中的所有节点104。

网络分配图包括TDMA时隙预留,其中每个预留时隙由发送节点104的网络ID、接收节点的网络ID、指示TDMA时隙分配是低延迟业务时隙还是大容量业务时隙的时隙类型和TDMA时隙的持续时间来标识分配。TDMA时隙分配的持续时间指示用于将数据从源节点发送到目的节点(例如,通过总线,例如公共总线)的连续时间分配周期的数目。

低延迟业务时隙在TDMA周期中重复的频率至少与保证的QoS延迟参数相同。高吞吐量大流量时隙至少与保证的QoS吞吐量参数一样长。

根据各种实施例,网络分配映射可以是二进制格式。在一个实施例中,网络分配映射的最大大小可以是4800字节或更少。网络分配映射还可以包括映射ID,其指示正在使用多个网络分配映射中的哪个特定的映射。要切换映射,主机控制器可以简单地发送映射ID而不是完整的网络分配映射。

为了减小网络分配映射大小,供应商可以选择对映射进行分区,以便在映射中仅指定一次每500μs重复一次的低延迟时隙。网络分配图还可以包括调制解调器200的机制,其接收该机制以验证所接收的网络分配图的完整性。

映射区域304在TDMA周期300内也是不变的。这允许节点104在任意给定点加入车辆通信网络100,因为节点104预先知道相对于TDMA周期300的开始,TDMA网络分配图位于何处。

映射区域304尽管在TDMA周期300的逻辑表示中示为TDMA时隙的相邻组,但是在物理实现中,映射区域304可以占用分布在整个物理TDMA周期中的TDMA时隙。

节点数据306的区域包括用于节点104的数据通信的TDMA时隙。节点数据306包括低延迟时隙和高吞吐量大容量数据时隙。”

结合下面的图4描述节点数据306的示例性布置。图4表示物理TDMA周期的部分400。“部件400可称为小循环400。物理TDMA循环可以由大量这样的小循环400构成。在一个示例性实施例中,小周期400可以具有500微秒的持续时间,并且物理TDMA周期可以由80个这样的小周期400构成,总时间为40毫秒TDMA周期。

图 4

小周期400包括低延迟时隙402A、402B、402C和402D、高吞吐量大容量数据时隙404和多个选通信号406。

低延迟时隙是具有短持续时间(例如,25微秒或更少)、高重复性(例如,每500微秒重复一次)的时隙,因为低延迟分组需要显示保证的最大延迟。换言之,在本实施例中,在同一对节点可以第二次通信之前,低延迟时隙保证最大延迟500微秒。

高通量大容量数据时隙是具有更长持续时间(例如,37.5微秒)的时隙,每个时隙携带更大数量的数据(例如,112字节的节点数据)。但是,高吞吐量大容量数据时隙的重复频率较低(例如,每40毫秒重复一次),因为高吞吐量通信流可以容忍更高的延迟。

调制解调器200可以使用选通信号406来执行自动增益控制。”

关于特斯拉电池组安全充电方法的专利解析报道就简要介绍到这 里。特拉斯专利原文见附件。

原文附件
US20200127941A1.PDF
精选留言
谷子
写的不错
2020.06.16
谷子
很好!
2020.06.16
延伸阅读
2020.10.02
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