為何10BASE-T1S是汽車(chē)通信中缺失的以太網(wǎng)鏈路

摘要

新的IEEE汽車(chē)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，10BASE-T1S以太網(wǎng)是最新標(biāo)準(zhǔn)之一。本文討論汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，它們反映了汽車(chē)電子/電氣(E/E)架構(gòu)的變化，以及新10BASE-T1S標(biāo)準(zhǔn)如何支持和推動(dòng)這種新架構(gòu)的部署。

大趨勢(shì)提供新機(jī)遇

汽車(chē)行業(yè)目前正在經(jīng)歷大變革。汽車(chē)制造商需要快速針對(duì)幾個(gè)大趨勢(shì)提供解決方案，例如個(gè)性化、電氣化、自動(dòng)化和全面互連。OEM需要徹底改變他們的E/E架構(gòu)，以支持新功能。雖然這種變革帶來(lái)了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但也為OEM提供了機(jī)會(huì)，讓他們開(kāi)始考慮在E/E架構(gòu)中不再使用基于獨(dú)立域的解決方案，因?yàn)殡S著一代代平臺(tái)發(fā)布，此類(lèi)解決方案隨著控制模組的不斷增加而變得笨重不堪。在架構(gòu)發(fā)生這種重大改變后，OEM可以集中精力開(kāi)發(fā)更出色的技術(shù)解決方案，同時(shí)通過(guò)汽車(chē)個(gè)性化、銷(xiāo)售服務(wù)和無(wú)線(OTA)升級(jí)等功能增加售后收入。該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向一種常見(jiàn)的新架構(gòu)，通常被稱(chēng)為區(qū)域架構(gòu)，并希望利用其他行業(yè)（特別是IT行業(yè)）的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，使汽車(chē)成為車(chē)輪上的計(jì)算機(jī)。

區(qū)域架構(gòu)按實(shí)際的物理位置，而不是按功能來(lái)決定連接，基于獨(dú)立域的架構(gòu)屬于后者（按功能來(lái)決定連接）。這種改變大大減少了汽車(chē)中的電子控制單元(ECU)的數(shù)量，并且讓線纜總長(zhǎng)減少達(dá)1 km1。其次，它讓硬件和軟件解耦，提供以服務(wù)為導(dǎo)向的架構(gòu)(SOA)。許多OEM都開(kāi)始大力投資軟件自主研發(fā)，希望能夠提供端到端解決方案，以簡(jiǎn)化平臺(tái)集成，提供更多跨職能的功能。2這種可擴(kuò)展的軟件平臺(tái)方法可以最大限度減少設(shè)計(jì)變更，增加新的收入來(lái)源，幫助減少長(zhǎng)期的研發(fā)投資，縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)支持多個(gè)車(chē)型系列。

這些革命性的架構(gòu)變革帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)，促使許多OEM對(duì)整個(gè)組織進(jìn)行重組，從各個(gè)部門(mén)各自負(fù)責(zé)特定獨(dú)立域功能控制器，轉(zhuǎn)向集成度更高的跨職能組織。

汽車(chē)正快速成為使用以太網(wǎng)設(shè)備的主要領(lǐng)域，在汽車(chē)中廣泛部署以太網(wǎng)則成為成功推出這些新架構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。以太網(wǎng)帶來(lái)了所需的擴(kuò)展能力，支持多種速率等級(jí)，是一種成熟可靠的傳輸媒體，支持基于服務(wù)的架構(gòu)，采用充分開(kāi)發(fā)的安全和防護(hù)構(gòu)建模塊。以太網(wǎng)采用定義明確、易于理解的OSI模型，能夠更輕松的管理整個(gè)車(chē)輛的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

圖1 汽車(chē)的區(qū)域架構(gòu)

汽車(chē)領(lǐng)域的獨(dú)特需求

雖然可以利用其他行業(yè)的許多以太網(wǎng)基本概念，但汽車(chē)E/E架構(gòu)有一些獨(dú)特的需求，因此需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)。對(duì)于汽車(chē)，一個(gè)關(guān)鍵因素就是減輕汽車(chē)的重量，這會(huì)直接影響到汽車(chē)的行駛里程。如今使用的電纜線束是汽車(chē)中最重的三個(gè)子系統(tǒng)之一（重達(dá)60千克）。3傳統(tǒng)的以太網(wǎng)電纜使用四個(gè)差分對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這會(huì)增大汽車(chē)的重量和布線復(fù)雜性，對(duì)汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)不是最佳選擇。為了解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，支持通過(guò)單對(duì)雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，此外，還通過(guò)區(qū)域架構(gòu)縮短線纜線束的長(zhǎng)度，以顯著節(jié)省線纜成本并減輕重量。

哪些因素驅(qū)動(dòng)對(duì)10BASE-T1S的需求？

隨著基于區(qū)域的架構(gòu)概念不斷發(fā)展，為了充分利用這種新架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，顯然需要將以太網(wǎng)連接擴(kuò)展到終端傳感器和驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)連接技術(shù)（例如FlexRay和CAN）通常要求在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，這可能導(dǎo)致成本、復(fù)雜性和延時(shí)增加?，F(xiàn)有的汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)（例如100BASE-T1）需要使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換連接，無(wú)法滿足支持終端連接應(yīng)用向以太網(wǎng)過(guò)渡的系統(tǒng)成本要求。所以，IEEE呼吁提供解決此問(wèn)題的方法。一些關(guān)鍵要求包括：4

■   實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)更快的通信速度；例如，CAN(FD)

■   取代FlexRay等傳統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

■   如果使用100BASE-T1連接ECU不經(jīng)濟(jì)高效，則需要100BASE-T1的替代方案

■   能夠支持簡(jiǎn)單、冗余的傳感器網(wǎng)絡(luò)連接

什么是10BASE-T1S？

10BASE-T1S規(guī)范是IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的一部分，于2020年2月發(fā)布。10BASE-T1S提供汽車(chē)以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中缺失的一環(huán)，支持真正的以太網(wǎng)到邊緣連接，并滿足區(qū)域架構(gòu)的需求。

10BASE-T1S與其他汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)不同的一個(gè)獨(dú)特之處：它支持多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)同一對(duì)非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供一個(gè)優(yōu)化的BOM，只需在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上部署一個(gè)以太網(wǎng)PHY，無(wú)需采用與其他以太網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)的切換或星型拓?fù)?。該?biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須支持至少8個(gè)節(jié)點(diǎn)（可以支持更多節(jié)點(diǎn)），總線長(zhǎng)度必須達(dá)到25米。

圖2 10BASE-T1S總線拓?fù)?/em>

該標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)新特點(diǎn)是物理層沖突規(guī)避(PLCA)，顧名思義，就是避免共享網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突。這種配置確保確定性最大延時(shí)主要由網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量決定。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)獲得傳輸機(jī)會(huì)。如果彼時(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)要傳輸，它會(huì)將傳輸機(jī)會(huì)移交給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以充分利用可用的10 Mbps帶寬。

由于它是交流耦合系統(tǒng)，所以也支持10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)供電。這樣可進(jìn)一步節(jié)省電纜，減小連接器的大小，并因電纜節(jié)省和連接器復(fù)雜性降低而實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。數(shù)據(jù)線供電標(biāo)準(zhǔn)化(PoDL)可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置，目前作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的一部分，也支持多點(diǎn)拓?fù)洹?/p>

10BASE-T1S在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛多樣，多種傳感器和驅(qū)動(dòng)器在車(chē)身領(lǐng)域、舒適性、信息娛樂(lè)以及ADAS系統(tǒng)中的跨多個(gè)功能應(yīng)用仍在探討中。

結(jié)論

汽車(chē)E/E架構(gòu)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。向區(qū)域E/E架構(gòu)過(guò)渡迫在眉睫。10BASE-T1S提供缺失的鏈路，通過(guò)優(yōu)化的以太網(wǎng)到邊緣連接支持這種過(guò)渡。在這個(gè)部署過(guò)程中，仍然需要克服一些問(wèn)題，例如以太網(wǎng)連接會(huì)增加模塊實(shí)施方案的元件成本和復(fù)雜性。10BASE-T1S通過(guò)降低系統(tǒng)成本，以及提供多種支持不同類(lèi)型的信號(hào)鏈分區(qū)的產(chǎn)品選擇來(lái)解決這些問(wèn)題。ADI公司積極參與標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，并與OEM密切合作，以積極推動(dòng)10BASE-T1S的推廣和部署，確保滿足他們的系統(tǒng)要求。

聯(lián)系A(chǔ)DI公司，了解我們的10BASE-T1S產(chǎn)品，以及我們計(jì)劃如何幫助在汽車(chē)領(lǐng)域推廣和部署10BASE-T1S。

參考資料

1 Cariad。2021年5月。

2Ryan Fletcher?！岸说蕉似?chē)軟件平臺(tái)用例?！盡cKinsey & Company，2020年1月。

3 Dan Scott。“現(xiàn)今汽車(chē)領(lǐng)域的線束開(kāi)發(fā)。”西門(mén)子公司，2020年7月。

4 呼吁采用10Mb/s單根雙絞線以太網(wǎng)。IEEE 802.3以太工作組。

作者簡(jiǎn)介

Fionn Hurley是就職于愛(ài)爾蘭利默里克的ADI公司汽車(chē)座艙電子業(yè)務(wù)部的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。他于2007年加入ADI公司。之前擔(dān)任RF設(shè)計(jì)工程師。他畢業(yè)于愛(ài)爾蘭科克大學(xué)(UCC)，獲得電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：fionn.hurley@analog.com。