利用10BASE-T1S以太網(wǎng)簡(jiǎn)化汽車(chē)應用中的分區架構

自從1968年大眾汽車(chē)率先將電子控制單元(ECU)應用于汽車(chē)以來(lái)，這種控制車(chē)輛各個(gè)部件運行的裝置便得到了迅速普及。為了讓駕乘者在車(chē)內也能享受到如同在家或工作時(shí)的舒適和娛樂(lè )體驗，現代汽車(chē)的功能日益豐富。然而，由于車(chē)輛上需要處理的數據量越來(lái)越龐大，ECU之間的交互也日益頻繁，大多數總線(xiàn)技術(shù)和電氣/電子(E/E)架構（其中一些沿用了數十年）已經(jīng)難以滿(mǎn)足這種需求。

01構建更佳的網(wǎng)絡(luò )架構

目前，車(chē)輛ECU按照功能劃分為多個(gè)幾乎獨立的域，例如動(dòng)力總成、底盤(pán)、信息娛樂(lè )系統和舒適性配置等。傳感器和執行器分散在車(chē)身各處，電線(xiàn)遍布整個(gè)車(chē)輛以連接到各功能域ECU（如圖1所示）。這種設計增加了車(chē)輛的復雜性、成本和重量。線(xiàn)束的重量在汽車(chē)總重中排名第三，對車(chē)輛的續航里程有著(zhù)顯著(zhù)影響。

為了方便各種ECU與簡(jiǎn)單傳感器或執行器之間的通信，汽車(chē)行業(yè)早在幾十年前就引入了控制器局域網(wǎng)(CAN)、FlexRay和本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )(LIN)等傳統總線(xiàn)技術(shù)。相比之下，不同域之間的通信則采用高速以太網(wǎng)。為了在這些不同的總線(xiàn)技術(shù)之間傳輸數據，需要在ECU內部使用昂貴的專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)。

圖1. 域架構示例

車(chē)輛功能日益豐富，車(chē)輛架構的復雜性也正隨之增加。無(wú)論是擴展現有功能還是引入新功能，都需要大量的開(kāi)發(fā)、實(shí)現和測試工作。原始設備制造商(OEM)的目標不僅是在降低成本的同時(shí)加快創(chuàng )新步伐，還要通過(guò)售后服務(wù)和升級等方式創(chuàng )造持續的收入來(lái)源。與移動(dòng)通信設備等其他消費類(lèi)產(chǎn)品相比，車(chē)輛架構的開(kāi)發(fā)周期要長(cháng)得多。因此，許多OEM都致力于打破硬件和軟件之間的固有聯(lián)系，朝著(zhù)軟件定義汽車(chē)的方向發(fā)展。

然而，有兩大挑戰阻礙了這一愿景：

■ 靜態(tài)功能域架構

■ 復雜的線(xiàn)束布線(xiàn)

我們認為理想的車(chē)輛架構是基于區域的架構（見(jiàn)圖2）。本地ECU負責所有功能，不再受限于特定域。這些ECU連接到分區控制器，這可以將處理能力集中到車(chē)輛的少數單元中。分區ECU和高性能計算單元之間通過(guò)高速點(diǎn)對點(diǎn)鏈路進(jìn)行通信。大眾汽車(chē)集團的子公司CARIAD表示，這種架構能減少二十多個(gè)ECU以及總長(cháng)度超過(guò)一公里的線(xiàn)束。

隨著(zhù)前沿科技對汽車(chē)的設計和性能的持續革新，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )架構轉型。車(chē)對車(chē)通信、增強現實(shí)儀表盤(pán)和自動(dòng)駕駛等技術(shù)的應用，不僅增加了汽車(chē)的復雜程度和制造成本，還需要用到更多的電子設備。預計到2030年，這些技術(shù)將推動(dòng)汽車(chē)電子設備的使用量增長(cháng)高達45%。

隨著(zhù)分區架構的引入，車(chē)輛中大量的電氣元件和控制系統被整合并集中到預定的區域內?，F在，節點(diǎn)取決于其位置，而不是其功能ECU。網(wǎng)絡(luò )變得更簡(jiǎn)單，車(chē)身重量減輕，燃油效率也提高了。此外，這種架構也更便于擴展，無(wú)需進(jìn)行大規模改動(dòng)即可輕松添加新功能和系統?，F在，通過(guò)車(chē)輛的中央計算單元，無(wú)線(xiàn)軟件升級也變得更加高效。OEM現在可以遠程增強車(chē)輛功能，比如為客戶(hù)提供定制服務(wù)，以及實(shí)施售后策略，包括升級和改進(jìn)先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)、自動(dòng)駕駛系統、舒適性配置以及信息娛樂(lè )系統等。

02化解挑戰

傳統總線(xiàn)技術(shù)缺乏新架構所需的性能能力，例如吞吐量和服務(wù)質(zhì)量?，F在，另一項成熟的技術(shù)——以太網(wǎng)——已在汽車(chē)行業(yè)得到應用。

數十年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)隨著(zhù)對更高數據速率的需求而不斷發(fā)展，主要方式是開(kāi)發(fā)新的物理層(PHY)，從而在提高數據速率的同時(shí)，保持較高（協(xié)議）層相同或至少兼容，甚至可以同樣的線(xiàn)束上實(shí)現某些不同的速度等級。網(wǎng)絡(luò )特性由較高協(xié)議層主要以軟件方式實(shí)現。

最初，以太網(wǎng)并非專(zhuān)門(mén)針對汽車(chē)環(huán)境而設計，缺乏電磁兼容性(EMC)和低能效等特性。此外，傳統以太網(wǎng)使用兩對或四對導線(xiàn)的屏蔽電纜，這與減輕重量的目標相悖。為滿(mǎn)足汽車(chē)通信鏈路的所有需求，汽車(chē)行業(yè)對單條雙絞線(xiàn)電纜解決方案進(jìn)行了標準化，這推動(dòng)了新型PHY技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

基于此，xBASE-T1汽車(chē)以太網(wǎng)標準（T1代表單條雙絞線(xiàn)電纜）應運而生。該標準支持不同數據速率，以滿(mǎn)足ECU互連的需求。此外，由更簡(jiǎn)單的設備——交換機，來(lái)處理不同速度等級之間的通信轉換，從而減少了對昂貴網(wǎng)關(guān)的需求

分區架構雖然為各種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)提供了廣闊的平臺，但仍然存在一些挑戰，例如如何適應同質(zhì)網(wǎng)絡(luò )架構、縮短引導啟動(dòng)時(shí)間、降低延遲以及提高數據吞吐量。大約90%的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)以最高10 Mbps的速率運行，許多過(guò)去的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)，現在已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的數據傳輸需求。這些限制阻礙了先進(jìn)車(chē)載系統的順利集成。因此，汽車(chē)行業(yè)迫切需要創(chuàng )新解決方案，以確?？焖夙憫獣r(shí)間并提升整體性能。

0310BASE-T1S的有效實(shí)施

將以太網(wǎng)擴展到邊緣節點(diǎn)后，系統便擁有了一個(gè)穩健的網(wǎng)絡(luò )，數據包傳輸變得更加簡(jiǎn)單。10BASE-T1S是IEEE 802.3-2022系列以太網(wǎng)標準的組成部分，OEM已開(kāi)始實(shí)施這項以太網(wǎng)PHY技術(shù)，相關(guān)車(chē)輛計劃在2025年前上路行駛。OPEN（單對以太網(wǎng)）聯(lián)盟制定了規范來(lái)補充IEEE標準，旨在鼓勵汽車(chē)行業(yè)廣泛采用以太網(wǎng)。與其他汽車(chē)鏈路技術(shù)一樣，10BASE-T1S支持多點(diǎn)模式配置。為了避免總線(xiàn)沖突，10BASE-T1S在帶有沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路存取(CSMA/CD)機制之上，采用了一種新型總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)，即物理層沖突避免(PLCA)。PLCA能夠將延遲控制在可預測的范圍內，同時(shí)有效提高吞吐量和網(wǎng)絡(luò )效率。

圖2. 分區架構示例

在一些常見(jiàn)的系統關(guān)鍵型應用中使用10BASE-T1S，可以降低系統復雜性，從而更快速、更高效地傳輸車(chē)輛內部的數據。由此帶來(lái)的更多系統優(yōu)勢包括：降低成本，增強安全性，無(wú)需復雜網(wǎng)關(guān)的統一通信機制，以及通過(guò)數據線(xiàn)供電的可選功能。這些優(yōu)勢共同確保了10BASE-T1S能夠順利集成到即將推出的下一代軟件定義汽車(chē)。

ADI公司的AD330x 10BASE-T1S器件 符合IEEE 802.3-2022標準。AD330x 10BASE-T1S以太網(wǎng)-邊緣總線(xiàn)(E2B)遠程控制協(xié)議(RCP)器件專(zhuān)門(mén)為遠程節點(diǎn)模式而設計，無(wú)需本地微控制器便能工作，自身便是完整的硬件解決方案，無(wú)需在邊緣節點(diǎn)部署軟件?；谝蕴W(wǎng)的E2B協(xié)議，結合集成的低復雜度以太網(wǎng)(LCE)硬件加速器，在中央ECU與傳感器或執行器之間建立起高效的通信通道。這種先進(jìn)的解決方案將軟件集中在分區控制器或中央控制單元中，賦予OEM完全的軟件控制權，從而可以縮短測試和開(kāi)發(fā)時(shí)間，最終降低系統成本。ADI E2B收發(fā)器支持眾多功能，包括IEEE 802.1AS、OPEN聯(lián)盟TC10/TC14 10BASE-T1S睡眠/喚醒、拓撲發(fā)現（用來(lái)實(shí)現整車(chē)時(shí)間同步的智能解決方案）、省電模式以及便捷的診斷流程。

04結論

從現有基于汽車(chē)域的設計到分區架構的轉變，標志著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的一次重大進(jìn)步。分區架構提供了更高的靈活性和可擴展性，能夠集中管理軟件、大幅減少車(chē)內布線(xiàn)，從而減輕車(chē)身重量、提高燃油效率，同時(shí)保持成本優(yōu)勢。與多種技術(shù)混用相比，在整車(chē)范圍內統一實(shí)施以太網(wǎng)可以大大降低網(wǎng)絡(luò )復雜性。10BASE-T1S的引入將汽車(chē)以太網(wǎng)擴展到車(chē)輛邊緣，有效減少了對昂貴網(wǎng)關(guān)的需求。

ADI公司的10BASE-T1S產(chǎn)品旨在連接邊緣節點(diǎn)，而E2B技術(shù)使純硬件節點(diǎn)能夠進(jìn)一步降低物料(BOM)成本，進(jìn)而也大幅縮短了測試和開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間。決策者需要充分了解相關(guān)的優(yōu)勢、潛在的成本節約以及對生產(chǎn)可持續性的貢獻。采用10BASE-T1S的分區E/E架構，將為下一代車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )提供可擴展的軟件平臺方案，推動(dòng)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )技術(shù)取得更大進(jìn)步。