一种汽车以太网透传及监控设备

技术领域

本发明属于监控设备技术领域，尤其涉及一种汽车以太网透传及监控设备。

背景技术

近年来，随着自动驾驶技术的迅猛发展，汽车的各类传感器设备，例如摄像头和雷达的数量和迅速增长。这种增长导致了车辆的数据处理和传输需求大大增加，远超过传统汽车的通信能力，如CAN FD等技术，其带宽已难以满足目前各类新能源汽车高速数据的带宽需求。因此，为了满足这种高带宽需求，汽车以太网，特别是1000Base-T1标准，逐渐在新能源车和许多传统燃油车中被广泛采用。为了支持更高的数据传输速率和更复杂的车载网络应用，汽车以太网(Automotive Ethernet)技术应运而生。其中，1000Base-T1是汽车以太网的一种标准，为现代车载系统提供了最高1Gbps的高速数据传输能力。

然而，当前市场上存在大量的设备和应用依赖于传统的以太网技术(例如1000Base-T)，它们和1000Base-T1之间存在着不同的电气和协议特性，这导致了两种技术之间的直接互通存在诸多挑战。

发明内容

本发明提供一种汽车以太网透传及监控设备，旨在解决在当前新能源汽车中，高速率以太网传输监测、诊断困难的问题。

本发明是这样实现的，一种汽车以太网透传及监控设备，包括FPGA芯片、汽车以太网芯片和普通以太网芯片，所述汽车以太网芯片与所述普通以太网芯片均和所述FPGA芯片的端口相连；

所述FPGA芯片由若干个接收缓存、若干个发送缓存、若干个汽车以太网接收端口、若干个普通以太网接收端口、若干个汽车以太网发送端口、若干个普通以太网发送端口和DDR内存组成，多个所述接收缓存与多个所述发送缓存一一对应，多个所述接收缓存与多个所述发送缓存之间通过数据连接进行数据传输；

多个所述接收缓存的输出端与所述DDR内存的输入端通过数据连接进行数据传输，所述DDR内存的输出端通过数据连接分别与多个所述发送缓存的输入端相连进行数据传输；

多个所述汽车以太网接收端口与多个所述普通以太网接收端口的输出端均通过数据连接与对应所述接收缓存的输入端相连进行数据传输；

多个所述汽车以太网发送收端口与多个所述普通以太网发送端口的输入端均通过数据连接与对应所述发送缓存的输出端相连进行数据传输。

优选的，还包括电源电路、FPGA电路和以太网PHY电路，所述电源电路的输出端与所述FPGA芯片、所述汽车以太网芯片和所述普通以太网芯片的电源接口相连。

优选的，所述电源电路的输入端设置有防反电路。

优选的，所述电源电路满足ISO 7637和ISO 16750标准条件下的正常工作。

优选的，所述以太网PHY电路包含两颗适用于汽车以太网的PHY芯片以及两颗适用于普通以太网的PHY芯片，符合以太网接口的EMC设计。

优选的，所述MDIO接口用于配置所述汽车以太网芯片与所述普通以太网芯片的参数设置，所述中断引脚用于特定的触发事件，使所述PL侧进行相应处理。

优选的，所述汽车以太网芯片为最高1Gbps的高速数据传输能力。

优选的，所述电源电路满足软件FPGA芯片各个电压上电时序的要求。

优选的，所述FPGA电路包含ZYNQ系列FPGA芯片，实现对以太网数据的透传、捕获以及PTP等功能的开发。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种汽车以太网透传及监控设备，通过对透传的数据捕获，并转发至普通以太网端口，支持双端口输出以及单端口，实现汽车以太网的PTP时间同步，使发送的捕获数据帧内的时间戳与汽车以太网域内的时间一致，并实现两组汽车以太网与普通以太网之间的直接传输，电源部分集成了防反保护、电气干扰保护及ESD保护，满足了ISO 7637和ISO 16750标准，确保设备在汽车上复杂、恶劣的电气环境中也能稳定工作，具有高效的数据处理能力，能够满足复杂的透传、捕获以及PTP功能的开发需求，保证不影响以太网帧的传输并且能够捕获所有以太网帧，PHY电路部分符合以太网接口的EMC设计，确保了数据传输的稳定性和兼容性，减少了外部环境对数据传输的干扰。

附图说明

图1为本发明的汽车以太网透传及监控设备的结构框图；

图2为本发明中FPGA芯片的程序结构框图；

图3为本发明中软件FPGA芯片的程序结构框图；

图4为本发明中软件FPGA芯片的程序结构框图；

图5为本发明中软件FPGA芯片的程序结构框图。

图中：1、FPGA芯片；2、汽车以太网芯片；3、普通以太网芯片；4、汽车以太网接收端口；5、DDR内存；6、普通以太网接收端口；7、发送缓存；8、接收缓存；9、普通以太网发送端口；10、汽车以太网发送收端口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种汽车以太网透传及监控设备，包括FPGA芯片1、汽车以太网芯片2和普通以太网芯片3，其特征在于：汽车以太网芯片2与普通以太网芯片3均和FPGA芯片1的端口相连；

FPGA芯片1由若干个接收缓存8、若干个发送缓存7、若干个汽车以太网接收端口4、若干个普通以太网接收端口6、若干个汽车以太网发送端口10、若干个普通以太网发送端口9和DDR内存5组成，多个接收缓存8与多个发送缓存7一一对应，多个接收缓存8与多个发送缓存7之间通过数据连接进行数据传输；

多个接收缓存8的输出端与DDR内存5的输入端通过数据连接进行数据传输，DDR内存5的输出端通过数据连接分别与多个发送缓存7的输入端相连进行数据传输；

多个汽车以太网接收端口4与多个普通以太网接收端口6的输出端均通过数据连接与对应接收缓存8的输入端相连进行数据传输；

多个汽车以太网发送收端口10与多个普通以太网发送端口9的输入端均通过数据连接与对应发送缓存7的输出端相连进行数据传输。

FPGA芯片1包含PL侧和一个PS侧；

汽车以太网芯片2与普通以太网芯片3的RGMII端口和FPGA芯片1的PL侧直接相连，汽车以太网芯片2与普通以太网芯片3的MDIO、中断和复位引脚与FPGA芯片1的PS侧相连。

通过对透传的数据捕获，并转发至普通以太网端口，支持双端口输出即捕获的每个以太网接收数据单独对应一个普通以太网端口以及单端口即捕获的所以端口数据均通过一个端口转发，转发时包含512M的缓冲区，以匹配不同速率，实现汽车以太网的PTP时间同步，使发送的捕获数据帧内的时间戳与汽车以太网域内的时间一致，并实现两组汽车以太网与普通以太网之间的直接传输。

采用ZYNQ系列FPGA芯片，具有高效的数据处理能力，能够满足复杂的透传、捕获以及PTP功能的开发需求，保证不影响以太网帧的传输并且能够捕获所有以太网帧。

系统主要包含一个ZYNQ系列芯片以及四个以太网PHY芯片，其中ZYNQ芯片包含FPGA侧即PL侧和一个双核ARM处理器侧即PS侧，提供了多样化的开发可能性。

采用的汽车以太网PHY芯片拥有1000Base-T1的物理层协议，而普通的以太网PHY芯片使用的是1000Base-T物理层协议。

所有PHY芯片均与ZYNQ芯片的相应端口相连，特别是，RGMII端口，负责传输以太网帧数据，与ZYNQ芯片的PL侧直接相连；而MDIO、中断和复位引脚与PS侧相连。

其中，MDIO接口用于配置PHY芯片的参数设置，而中断引脚则用于特定的触发事件，使FPGA进行相应处理。

此外系统还包含电源电路，能够满足ISO 7637和ISO 16750标准条件下的正常工作，此外输入端还带有防反电路避免反接。

端口接收到的数据经过异步缓存First-In,First-Out，先进先出算法接收，随后基于当前所选的工作模式，数据会被转发至特定的发送端口或储存在DDR内存10中作为缓存。

1Gbps的汽车以太网接口标准为1000Base-T1，主要通过一对差分双绞线进行数据传输，对应的1Gbps普通以太网接口标准主要为1000Base-T，主要通过四对差分双绞线进行数据的传输。

针对汽车以太网的特点和需求，主要实现了对其通信报文的监控、捕获及通过普通以太网的转发功能。

在汽车的测试和研发过程中，能够对各类设备，如摄像头、传感器等的以太网数据进行实时监控，通过对这些数据的分析，可以确保数据传输的稳定性、安全性，及时发现并定位潜在的问题。

能够帮助研发人员更加高效地对汽车以太网通信进行测试和优化，还为相关的硬件和软件开发提供了有力的支持。

通过实时的数据捕获和分析，研发团队能够在短时间内对汽车的通信网络性能进行评估，确保各类设备的兼容性和协同工作能力。

对两个1000Base-T1(一种汽车以太网的接口标准)接口传输的数据传输进行监控，并使用FPGA(现场可编程门阵列)监控、处理并转发至两个1000Base-T普通以太网接口。

第二实施例：

请参阅图4，两个1000Base-T1(一种汽车以太网的接口标准)接口传输的数据转进行监控，并使用FPGA(现场可编程门阵列)监控、处理、缓存并转发至单个1000Base-T普通以太网接口。

在此模式下，使用者仅需使用1个以太网端口即可实现数据的完整监控，但是当两个汽车以太网之间传输的平均负载率高于50％时，由于接收发送合计2Gbps速率，而普通以太网接口的输出速率仅为1Gbps，因此当缓冲区满之后，会发生丢帧的情况。

第三实施例：

请参阅图5，为方便设计过程中对汽车以太网的通信，因此在此模式中，该设备实现了两通道汽车以太网与普通以太网的转换。

在两种中，可以选择在原始数据帧前增加新的时间戳数据段，该数据段包含了数据帧的长度、接收此帧数据的端口和接收此数据帧的硬件时间戳等；也可以选择直接传输原始数据帧。

对于时间戳，本设备采用PTP协议(精确时间协议)与所连接的汽车网络进行自动校准时间，以获得真实的汽车网络内的时间戳，实现多台设备之间的时间一致。

本设备支持上位机软件对固件的更新刷写。

本系统硬件设计部分主要包含赛灵思ZYNQ系列芯片，内部集成了基于ARMCortex-A9的多核心处理器和现场可编程门阵列(即FPGA)，在本项目中ARM处理器主要负责通过MIDO(管理数据输入/输出接口)接口实现PTP时间校准、以太网芯片的初始化、配置等，通过USB接口实现对固件的刷写，FPGA(现场可编程门阵列)负责对以太网数据的接收、转发、监控、重新打包以及对打包后的数据进行转发。

ARM处理器运行流程主要为：

上电后对各个以太网芯片的连接情况进行监控，同时判断当前的运行模式，当端口均连接妥当后，处理器将配置各个接口的速率、主从模式等。在连接状态下，当读取PHY寄存器检测到PHY(物理层接口芯片)接收到PTP帧后，根据PTP同步流程与局域网内时间进行匹配，同时通过内部总线，将时间更新到FPGA中。

FPGA处理具体流程为：

1、FPGA会根据运行模式，连接对应以太网PHY芯片的(物理层接口芯片)接收端口、发送端口以及监控数据输出端口。即对于两芯片发送、接收端口的直接传输功能，FPGA直接通过内部连线，将接收的数据直接发送出去。

2、对于监控功能，当接收到以太网数据后，首先记录当前时间戳并与数据一起放到FIFO(First In First out，即先进先出缓冲区)缓冲区中，之后对FIFO中的数据进行解析，根据是否需要增加时间戳数据段，将数据长度、时间戳增加到数据帧前并重新计算CRC校验。

3、在实时例2中，数据会先存储在DDR内存5(第三代双倍数据速率同步动态随机存取存储器)内存中，当普通以太网端口空闲时，将DDR内存5中的数据发送至普通以太网端口前的发送FIFO中，当DDR内存5满后，则暂停接收数据；在模式1中，数据则直接发送至普通以太网端口前的发送FIFO中。

4、普通以太网发送端口将对应的发送FIFO内缓存的数据读出并发送，完成监控功能。

此外系统还包含电源电路，通过增加ESD电路、电容、TVS二极管等电路，能够满足ISO 7637和ISO 16750标准条件下的正常工作，此外输入端还带有防反电路避免反接。

解决在当前新能源汽车中，高速率以太网传输的监测、诊断困难的问题，使用例如使用交换机等其他方式会对原有网络造成影响，且由于非实时操作系统等原因无法精确获取捕获时间，能够确保汽车以太网之间数据传输的高效率、低延时及完整性，同时允许对这些数据进行实时透传和捕获，以支持汽车的测试和验证需求。

进一步的，还包括电源电路、FPGA电路和以太网PHY电路，电源电路的输出端与FPGA芯片1、汽车以太网芯片2和普通以太网芯片3的电源接口相连。

进一步的，电源电路的输入端设置有防反电路。

进一步的，电源电路满足ISO 7637和ISO 16750标准条件下的正常工作。

进一步的，以太网PHY电路包含两颗适用于汽车以太网的PHY芯片以及两颗适用于普通以太网的PHY芯片，符合以太网接口的EMC设计。

在本实施方式中，电源部分集成了防反保护、电气干扰保护及ESD保护，满足了ISO7637和ISO 16750标准，确保设备在汽车上复杂、恶劣的电气环境中也能稳定工作，具有高效的数据处理能力，能够满足复杂的透传、捕获以及PTP功能的开发需求，保证不影响以太网帧的传输并且能够捕获所有以太网帧，PHY电路部分符合以太网接口的EMC设计，确保了数据传输的稳定性和兼容性，减少了外部环境对数据传输的干扰。

进一步的，MDIO接口用于配置汽车以太网芯片2与普通以太网芯片3的参数设置，中断引脚用于特定的触发事件，使PL侧进行相应处理。

进一步的，汽车以太网芯片2为最高1Gbps的高速数据传输能力。

进一步的，电源电路满足软件FPGA芯片1各个电压上电时序的要求。

进一步的，FPGA电路包含ZYNQ系列FPGA芯片1，实现对以太网数据的透传、捕获以及PTP等功能的开发。

本发明的工作原理及使用流程：本发明安装好过后，模式一：对两个1000Base-T1(一种汽车以太网的接口标准)接口传输的数据传输进行监控，并使用FPGA(现场可编程门阵列)监控、处理并转发至两个1000Base-T普通以太网接口；模式二：两个1000Base-T1(一种汽车以太网的接口标准)接口传输的数据转进行监控，并使用FPGA(现场可编程门阵列)监控、处理、缓存并转发至单个1000Base-T普通以太网接口，在此模式下，使用者仅需使用1个以太网端口即可实现数据的完整监控，但是当两个汽车以太网之间传输的平均负载率高于50％时，由于接收发送合计2Gbps速率，而普通以太网接口的输出速率仅为1Gbps，因此当缓冲区满之后，会发生丢帧的情况；模式三：为方便设计过程中对汽车以太网的通信，因此在此模式中，该设备实现了两通道汽车以太网与普通以太网的转换，在两种中，可以选择在原始数据帧前增加新的时间戳数据段，该数据段包含了数据帧的长度、接收此帧数据的端口和接收此数据帧的硬件时间戳等；也可以选择直接传输原始数据帧，对于时间戳，本设备采用PTP协议(精确时间协议)与所连接的汽车网络进行自动校准时间，以获得真实的汽车网络内的时间戳，实现多台设备之间的时间一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。