摘要

新的IEEE汽車以太網(wǎng)標準不斷涌現(xiàn)，10BASE-T1S以太網(wǎng)是最新標準之一。本文討論汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，它們反映了汽車電子/電氣(E/E)架構的變化，以及新10BASE-T1S標準如何支持和推動這種新架構的部署。

大趨勢提供新機遇

汽車行業(yè)目前正在經(jīng)歷大變革。汽車制造商需要快速針對幾個大趨勢提供解決方案，例如個性化、電氣化、自動化和全面互連。OEM需要徹底改變他們的E/E架構，以支持新功能。雖然這種變革帶來了重大的技術挑戰(zhàn)，但也為OEM提供了機會，讓他們開始考慮在E/E架構中不再使用基于獨立域的解決方案，因為隨著一代代平臺發(fā)布，此類解決方案隨著控制模組的不斷增加而變得笨重不堪。在架構發(fā)生這種重大改變后，OEM可以集中精力開發(fā)更出色的技術解決方案，同時通過汽車個性化、銷售服務和無線(OTA)升級等功能增加售后收入。該行業(yè)正在轉向一種常見的新架構，通常被稱為區(qū)域架構，并希望利用其他行業(yè)（特別是IT行業(yè)）的技術和經(jīng)驗，使汽車成為車輪上的計算機。

區(qū)域架構按實際的物理位置，而不是按功能來決定連接，基于獨立域的架構屬于后者（按功能來決定連接）。這種改變大大減少了汽車中的電子控制單元(ECU)的數(shù)量，并且讓線纜總長減少達1 km¹。其次，它讓硬件和軟件解耦，提供以服務為導向的架構(SOA)。許多OEM都開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，以簡化平臺集成，提供更多跨職能的功能。²這種可擴展的軟件平臺方法可以最大限度減少設計變更，增加新的收入來源，幫助減少長期的研發(fā)投資，縮短開發(fā)周期，同時支持多個車型系列。

這些革命性的架構變革帶來了很多挑戰(zhàn)，促使許多OEM對整個組織進行重組，從各個部門各自負責特定獨立域功能控制器，轉向集成度更高的跨職能組織。

汽車正快速成為使用以太網(wǎng)設備的主要領域，在汽車中廣泛部署以太網(wǎng)則成為成功推出這些新架構的關鍵基礎之一。以太網(wǎng)帶來了所需的擴展能力，支持多種速率等級，是一種成熟可靠的傳輸媒體，支持基于服務的架構，采用充分開發(fā)的安全和防護構建模塊。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車輛的復雜網(wǎng)絡。

圖1.汽車的區(qū)域架構

汽車領域的獨特需求

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E/E架構有一些獨特的需求，因此需要開發(fā)新技術。對于汽車，一個關鍵因素就是減輕汽車的重量，這會直接影響到汽車的行駛里程。如今使用的電纜線束是汽車中最重的三個子系統(tǒng)之一（重達60千克）。³傳統(tǒng)的以太網(wǎng)電纜使用四個差分對進行數(shù)據(jù)傳輸，這會增大汽車的重量和布線復雜性，對汽車應用來說不是最佳選擇。為了解決這一問題，開發(fā)了新的IEEE標準，支持通過單對雙絞線進行以太網(wǎng)傳輸，此外，還通過區(qū)域架構縮短線纜線束的長度，以顯著節(jié)省線纜成本并減輕重量。

哪些因素驅動對10BASE-T1S的需求？

隨著基于區(qū)域的架構概念不斷發(fā)展，為了充分利用這種新架構的優(yōu)勢，顯然需要將以太網(wǎng)連接擴展到終端傳感器和驅動器�，F(xiàn)有的傳統(tǒng)連接技術（例如FlexRay和CAN）通常要求在網(wǎng)關中實現(xiàn)協(xié)議轉換，這可能導致成本、復雜性和延時增加。現(xiàn)有的汽車以太網(wǎng)技術（例如100BASE-T1）需要使用點對點交換連接，無法滿足支持終端連接應用向以太網(wǎng)過渡的系統(tǒng)成本要求。所以，IEEE呼吁提供解決此問題的方法。一些關鍵要求包括：⁴

21. 實現(xiàn)比現(xiàn)有技術更快的通信速度；例如，CAN(FD)
21. 取代FlexRay等傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡技術
21. 如果使用100BASE-T1連接ECU不經(jīng)濟高效，則需要100BASE-T1的替代方案
21. 能夠支持簡單、冗余的傳感器網(wǎng)絡連接

什么是10BASE-T1S？

10BASE-T1S規(guī)范是IEEE 802.3cg標準的一部分，于2020年2月發(fā)布。10BASE-T1S提供汽車以太網(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)域架構的需求。

10BASE-T1S與其他汽車以太網(wǎng)技術不同的一個獨特之處：它支持多點拓撲結構，所有節(jié)點都通過同一對非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供一個優(yōu)化的BOM，只需在每個節(jié)點上部署一個以太網(wǎng)PHY，無需采用與其他以太網(wǎng)技術關聯(lián)的切換或星型拓撲。該標準規(guī)定必須支持至少8個節(jié)點（可以支持更多節(jié)點），總線長度必須達到25米。

圖2.10BASE-T1S總線拓撲

該標準的另一個新特點是物理層沖突規(guī)避(PLCA)，顧名思義，就是避免共享網(wǎng)絡上發(fā)生沖突。這種配置確保確定性最大延時主要由網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量和要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量決定。每個節(jié)點都會獲得傳輸機會。如果彼時一個節(jié)點沒有數(shù)據(jù)要傳輸，它會將傳輸機會移交給下一個節(jié)點，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)絡供電。這樣可進一步節(jié)省電纜，減小連接器的大小，并因電纜節(jié)省和連接器復雜性降低而實現(xiàn)更高的可靠性。數(shù)據(jù)線供電標準化(PoDL)可用于點對點配置，目前作為IEEE標準改進的一部分，也支持多點拓撲。

10BASE-T1S在汽車領域的應用廣泛多樣，多種傳感器和驅動器在車身領域、舒適性、信息娛樂以及ADAS系統(tǒng)中的跨多個功能應用仍在探討中。

結論

汽車E/E架構正在經(jīng)歷一場重大變革。向區(qū)域E/E架構過渡迫在眉睫。10BASE-T1S提供缺失的鏈路，通過優(yōu)化的以太網(wǎng)到邊緣連接支持這種過渡。在這個部署過程中，仍然需要克服一些問題，例如以太網(wǎng)連接會增加模塊實施方案的元件成本和復雜性。10BASE-T1S通過降低系統(tǒng)成本，以及提供多種支持不同類型的信號鏈分區(qū)的產(chǎn)品選擇來解決這些問題。ADI公司積極參與標準化活動，并與OEM密切合作，以積極推動10BASE-T1S的推廣和部署，確保滿足他們的系統(tǒng)要求。

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參考資料

¹ Cariad。2021年5月。

²Ryan Fletcher。“端到端汽車軟件平臺用例。”McKinsey & Company，2020年1月。

³ Dan Scott。“現(xiàn)今汽車領域的線束開發(fā)。”西門子公司，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。