車(chē)載網(wǎng)絡(luò )趨勢與演進(jìn)

隨著(zhù)車(chē)輛愈發(fā)先進(jìn)，有助于提升道路安全性能、提供駕駛輔助功能以及提高能效，其底層技術(shù)的重要性也隨之增加。無(wú)論是傳統的內燃機（ICE）驅動(dòng)車(chē)輛、混合動(dòng)力汽車(chē)還是純電動(dòng)汽車(chē)，汽車(chē)設計中都包含了數十種傳感器、微控制器及執行器，所有這些器件都會(huì )產(chǎn)生或處理大量的數據。

現代車(chē)輛不僅僅是一種交通工具，更是車(chē)輪上的先進(jìn)計算平臺。與所有計算系統一樣，有效傳輸數據的能力對于這類(lèi)系統的平穩運行和安全操作至關(guān)重要。

常用車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（IVN）

電子技術(shù)在車(chē)輛中已應用數十年，提供了許多實(shí)用功能，通常是為了增強安全性或娛樂(lè )性。在早期，這些功能很多都是獨立存在的，既不向車(chē)輛的其他系統提供數據，也不依賴(lài)于其他系統產(chǎn)生的數據。然而，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，集成化帶來(lái)的優(yōu)勢逐漸顯現，汽車(chē)專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)隨之應運而生。

在車(chē)輛中普遍采用的協(xié)議包括LIN總線(xiàn)（Local Interconnect Network, LIN）、CAN總線(xiàn)（Controller Area Network, CAN/CAN-FD）、FlexRay總線(xiàn)以及MOST總線(xiàn)（Media Oriented System Transport, MOST）。雖然每種解決方案都有其獨特之處，并可滿(mǎn)足不同的設計考量，但更重要的是，這些現有的技術(shù)方案難以滿(mǎn)足現代車(chē)輛日益增長(cháng)的需求。

LIN總線(xiàn)是一項成本效益高的技術(shù)，對于低數據速率（<20kbps）的應用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)易于實(shí)施和部署。然而，由于其帶寬有限，并且系統節點(diǎn)數量被限制在12個(gè)以?xún)?，這限制了它在現代車(chē)輛中的價(jià)值。

CAN總線(xiàn)（以及后續迭代版本如CAN-FD）因其非常穩定可靠且相對不受電氣干擾和噪聲影響，在車(chē)輛和其他安全關(guān)鍵系統中得到了廣泛應用。然而，有限的帶寬（通常約為2Mbps）限制了它在某些數據密集型應用（如信息娛樂(lè )系統和攝像頭）中的使用，同時(shí)也限制了節點(diǎn)的數量。目前，新的CAN-XL標準正在開(kāi)發(fā)中，以處理更高速度并具備與以太網(wǎng)銜接的能力，但對于許多工程師來(lái)說(shuō)，直接過(guò)渡到全以太網(wǎng)解決方案看起來(lái)更具吸引力。

FlexRay總線(xiàn)提供了精確的時(shí)序和同步功能，使其適用于諸如線(xiàn)控驅動(dòng)等時(shí)間關(guān)鍵型應用。然而，與其他方式相比，復雜性限制了其普及程度。

MOST總線(xiàn) 僅用于信息娛樂(lè )系統，其適用性有限且成本高昂，因此隨著(zhù)該技術(shù)的逐步淘汰，已被其他解決方案所取代。

以太網(wǎng)被許多人視為替代現有多種解決方案的理想選擇，它可以提供高帶寬和低延遲的通信能力。然而，現行的以太網(wǎng)協(xié)議存在一個(gè)問(wèn)題，即其固有的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）機制，這意味著(zhù)無(wú)法實(shí)現確定性操作，從而不適用于任何時(shí)間敏感的應用場(chǎng)景，比如線(xiàn)控驅動(dòng)等。此外，以太網(wǎng)技術(shù)的成本也是一個(gè)問(wèn)題。然而，考慮到以太網(wǎng)的巨大潛力，現在已經(jīng)出現了如10BASE-T1S這樣的確定性協(xié)議，它包含了物理層沖突避免（Physical Layer Collision Avoidance, PLCA）機制（參見(jiàn)圖1），為時(shí)間關(guān)鍵型應用提供了所需的性能。此外，汽車(chē)以太網(wǎng)設備的成本正在迅速下降，這使得更多的汽車(chē)制造商能夠應用高帶寬特性。

圖1 在PLCA周期中，每個(gè)“從設備”發(fā)送數據之前，“主設備”會(huì )通過(guò)一個(gè)“BEACON”信號開(kāi)始通信，從而避免沖突和相關(guān)的重傳開(kāi)銷(xiāo)

以太網(wǎng)在 OPEN 聯(lián)盟等組織的推動(dòng)下不斷發(fā)展，以滿(mǎn)足現代汽車(chē)日益增長(cháng)的帶寬需求。新標準（如 IEEE P802.3dh）使未來(lái)車(chē)輛中的光纖應用成為可能，用以支持低延遲 4K 視頻和增強現實(shí)等要求極苛刻的技術(shù)。

包括藍牙^?、Wi-Fi 和移動(dòng)通信在內的無(wú)線(xiàn)協(xié)議通常用于駕駛員和乘客連接他們的移動(dòng)設備。無(wú)線(xiàn)通信的主要需求源于其能夠在有線(xiàn)連接無(wú)法實(shí)現的情況下完成某些功能，例如胎壓監測（TPMS）和無(wú)鑰匙進(jìn)入（僅舉兩例）。然而，隨著(zhù) "車(chē)聯(lián)網(wǎng)"（V2X）技術(shù)的發(fā)展，車(chē)輛可以與其他車(chē)輛及其周?chē)h(huán)境進(jìn)行通信，對無(wú)線(xiàn)通信的需求也進(jìn)一步增加，但隨之而來(lái)的是對更高安全性的需求。

車(chē)輛架構

由于車(chē)輛內部遍布著(zhù)眾多子系統和傳感器，汽車(chē)制造商必須謹慎選擇車(chē)輛架構。主要有兩種選擇——域（domain）架構或區域控制(zonal)架構?，F有的基于域的架構將具有相似功能的部分（例如，傳動(dòng)系統、底盤(pán)和舒適性）組合在一起——盡管它們的位置可能分散在車(chē)輛的各個(gè)部位，這需要更多的布線(xiàn)，也增加了重量和成本。

為了避免這一問(wèn)題，許多汽車(chē)制造商現在更傾向于采用區域控制架構的方法，即盡管功能不同，但仍將位置相近的子系統分組。因此，可以指定“右前”、“左后”等區域。雖然這種方法減少了布線(xiàn)需求，但也會(huì )在各區之間的車(chē)輛通信 "主干 "上增加數據量，因此要求車(chē)載網(wǎng)絡(luò )具有更高的性能和帶寬。

通常情況下，每個(gè)分區都高度集成了專(zhuān)用計算資源，通過(guò)高速（和確定性）通信主干網(wǎng)與主 CPU 連接，以支持先進(jìn)駕駛輔助系統 (ADAS) 和線(xiàn)控驅動(dòng)等實(shí)時(shí)應用。采用區域控制架構使車(chē)輛功能和特性的集成、移除或升級提供了更大的靈活性。它易于擴展并適應不斷變化的需求。

雖然區域控制架構有可能帶來(lái)諸多好處，但其實(shí)施也會(huì )導致對車(chē)載網(wǎng)絡(luò )性能需求的增加。這主要是由于需要更高的數據流量、低延遲、冗余、可擴展性支持以及更好的安全性和診斷功能。

功能安全

隨著(zhù)車(chē)輛的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，對功能安全和冗余措施的需求也在增強。越來(lái)越多的系統要求符合更高的ISO26262汽車(chē)安全完整性等級（ASIL），隨著(zhù)駕駛員越來(lái)越依賴(lài)車(chē)輛自身做出的決策和采取的行動(dòng)，安全等級要求正從A級和B級向更為嚴格的C級和D級組件過(guò)渡。功能安全涵蓋了從概念設計到車(chē)輛最終退役的所有設計環(huán)節。

毫無(wú)疑問(wèn)，這對整個(gè)車(chē)輛結構以及車(chē)載網(wǎng)絡(luò )都有著(zhù)重大影響。對于自動(dòng)緊急制動(dòng)和自適應巡航等高性能 ADAS 功能而言，低延遲數據傳輸至關(guān)重要。要實(shí)現功能安全合規性，就必須在傳感器和通信路徑上部署冗余以及精密的容錯機制。

雖然所有車(chē)輛的安全關(guān)鍵功能都需要時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )（TSN），但向區域控制架構的轉變增強了這種需求。時(shí)序的精確調整和延遲補償對于確保 ADAS 功能的正確運行至關(guān)重要，尤其是當圖像傳感器、激光雷達模塊和電子控制系統等元件分布在車(chē)輛的不同區域時(shí)。即使是在不同區域使用麥克風(fēng)進(jìn)行降噪等應用，也需要 TSN 才能有效工作。在以太網(wǎng)解決方案方面，現有的 TSN 以太網(wǎng)協(xié)議可重新用于汽車(chē)用途。

在圖像傳感器和攝像頭接口方面，MIPI CSI-2（攝像頭串行接口）和 DSI-2（顯示串行接口）支持高速數據傳輸，是攝像頭系統、顯示屏和信息娛樂(lè )系統之間傳輸大量數據的理想選擇。移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口聯(lián)盟（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）和汽車(chē)串行/解串通信技術(shù)聯(lián)盟（Automotive Serdes Alliance，ASA）正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一種標準化的 串行/解串（SerDes）解決方案。最終，ASA 運動(dòng)連接技術(shù)（ASA ML）將獲準與 MIPI CSI-2 集成。在這一合作中，還對增強 MIPI 協(xié)議的安全性和用于攝像頭的非對稱(chēng)以太網(wǎng)（高帶寬傳輸，低帶寬接收）進(jìn)行了研究。

安森美（onsemi）在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )（IVN）中的角色

安森美在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域擁有超過(guò)三十年的豐富經(jīng)驗，提供創(chuàng )新產(chǎn)品和一流的應用支持。目前，解決方案組合以許多現有的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為基礎，包括LIN、CAN和FlexRay。未來(lái)幾年，將陸續發(fā)布LIN和CAN產(chǎn)品的增強版本，由于對FlexRay的發(fā)展預期不樂(lè )觀(guān)，所以對該協(xié)議的投資即使有，也不會(huì )太多。

顯然，10BASE-T1S 以太網(wǎng)將是汽車(chē)行業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。安森美已經(jīng)推出了首批產(chǎn)品，目前正在為這一重要協(xié)議開(kāi)發(fā)第二代產(chǎn)品組合。隨著(zhù)大多數汽車(chē)制造商預計采用區域控制架構，10BASE-T1S 將成為未來(lái)汽車(chē)通信的基本組成部分。對于要求高吞吐量、高帶寬和高安全性的應用（如 ADAS 功能，包括完全自動(dòng)駕駛）來(lái)說(shuō)，尤其如此。

盡管以太網(wǎng)在車(chē)輛應用中具有明顯的優(yōu)勢，但在對通信速率要求不高的場(chǎng)景（如車(chē)窗開(kāi)啟、后視鏡折疊、調整座椅等）仍將繼續使用現有協(xié)議（如 LIN 和 CAN）。不過(guò)，我們已經(jīng)看到以太網(wǎng)正在取代 CAN 的部分市場(chǎng)份額，預計到明年，以太網(wǎng)將成為低延遲和高帶寬通信的首選技術(shù)。

總結

如今，車(chē)輛性能已不再取決于其行駛速度，而更多地取決于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )在 "車(chē)輪上的計算平臺 "中數據傳輸的速度。

雖然 LIN 和 CAN 等傳統協(xié)議將繼續發(fā)揮有限的作用，但 MOST 和 FlexRay 等一些協(xié)議將逐步淘汰。由于區域控制架構降低了布線(xiàn)的成本和重量，將成為首選，但還需要應用 TSN 和更大的帶寬，特別是在區域之間的主干網(wǎng)上。

確定性以太網(wǎng)（10BASE-T1S）將發(fā)揮重要作用，在不久的將來(lái)成為許多汽車(chē)制造商默認的 "首選 "技術(shù)。該技術(shù)的廣泛應用將推動(dòng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )標準化程度的提高，實(shí)現全自動(dòng)駕駛所需的創(chuàng )新解決方案也成為可能。此外，目前只有以太網(wǎng)解決方案才能推進(jìn)提高車(chē)輛安全性和先進(jìn)自動(dòng)駕駛系統的實(shí)現。

幾十年來(lái)，安森美一直在汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用，尤其是在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )方面。雖然 LIN 和 CAN 在器件方面將繼續取得進(jìn)展，但安森美目前的主要重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)更豐富的 10BASE-T1S 以太網(wǎng)解決方案，為汽車(chē)行業(yè)提供滿(mǎn)足下一代汽車(chē)應用所需的高性能元器件。