10BASE-T1S以太網如何簡化汽車應用中的分區架構

簡介

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

構建更佳的網絡架構

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

為了方便各種ECU與簡單傳感器或執行器之間的通信，汽車行業早在幾十年前就引入了控制器局域網(CAN)、FlexRay和本地互聯網絡(LIN)等傳統總線技術。相比之下，不同域之間的通信則采用高速以太網。為了在這些不同的總線技術之間傳輸數據，需要在ECU內部使用昂貴的專用網關。

圖1 域架構示例

車輛功能日益豐富，車輛架構的復雜性也正隨之增加。無論是擴展現有功能還是引入新功能，都需要大量的開發、實現和測試工作。原始設備制造商(OEM)的目標不僅是在降低成本的同時加快創新步伐，還要通過售后服務和升級等方式創造持續的收入來源。與移動通信設備等其他消費類產品相比，車輛架構的開發周期要長得多。因此，許多OEM都致力于打破硬件和軟件之間的固有聯系，朝著軟件定義汽車的方向發展。

然而，有兩大挑戰阻礙了這一愿景：

1.靜態功能域架構

2.復雜的線束布線

我們認為理想的車輛架構是基于區域的架構（見圖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輛的少數單元中。分區ECU和高性能計算單元之間通過高速點對點鏈路進行通信。大眾汽車集團的子公司CARIAD表示，這種架構能減少二十多個ECU以及總長度超過一公里的線束¹。

隨著前沿科技對汽車的設計和性能的持續革新，汽車產業正在經歷一場重大的車輛網絡架構轉型。車對車通信、增強現實儀表盤和自動駕駛等技術的應用，不僅增加了汽車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，這些技術將推動汽車電子設備的使用量增長高達45%²。

隨著分區架構的引入，車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。現在，節點取決于其位置，而不是其功能ECU。網絡變得更簡單，車身重量減輕，燃油效率也提高了。此外，這種架構也更便于擴展，無需進行大規模改動即可輕松添加新功能和系統。現在，通過車輛的中央計算單元，無線軟件升級也變得更加高效³。OEM現在可以遠程增強車輛功能，比如為客戶提供定制服務，以及實施售后策略，包括升級和改進先進駕駛輔助系統(ADAS)、自動駕駛系統、舒適性配置以及信息娛樂系統等。

化解挑戰

傳統總線技術缺乏新架構所需的性能能力，例如吞吐量和服務質量。現在，另一項成熟的技術——以太網——已在汽車行業得到應用。

數十年來，以太網技術隨著對更高數據速率的需求而不斷發展，主要方式是開發新的物理層(PHY)，從而在提高數據速率的同時，保持較高（協議）層相同或至少兼容，甚至可以同樣的線束上實現某些不同的速度等級。網絡特性由較高協議層主要以軟件方式實現。

最初，以太網并非專門針對汽車環境而設計，缺乏電磁兼容性(EMC)和低能效等特性。此外，傳統以太網使用兩對或四對導線的屏蔽電纜，這與減輕重量的目標相悖。為滿足汽車通信鏈路的所有需求，汽車行業對單條雙絞線電纜解決方案進行了標準化，這推動了新型PHY技術的開發。

基于此，xBASE-T1汽車以太網標準（T1代表單條雙絞線電纜）應運而生。該標準支持不同數據速率，以滿足ECU互連的需求。此外，由更簡單的設備——交換機，來處理不同速度等級之間的通信轉換，從而減少了對昂貴網關的需求。

分區架構雖然為各種網絡技術提供了廣闊的平臺，但仍然存在一些挑戰，例如如何適應同質網絡架構、縮短引導啟動時間、降低延遲以及提高數據吞吐量。大約90%的網絡節點以最高10 Mbps的速率運行，許多過去的汽車網絡的技術，現在已經無法滿足日益增長的數據傳輸需求⁴。這些限制阻礙了先進車載系統的順利集成。因此，汽車行業迫切需要創新解決方案，以確保快速響應時間并提升整體性能。

10BASE-T1S的有效實施

將以太網擴展到邊緣節點后，系統便擁有了一個穩健的網絡，數據包傳輸變得更加簡單。10BASE-T1S是IEEE 802.3-2022系列以太網標準的組成部分，OEM已開始實施這項以太網PHY技術，相關車輛計劃在2025年前上路行駛。OPEN（單對以太網）聯盟制定了規范來補充IEEE標準，旨在鼓勵汽車行業廣泛采用以太網。與其他汽車鏈路技術一樣，10BASE-T1S支持多點模式配置。為了避免總線沖突，10BASE-T1S在帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取(CSMA/CD)機制之上，采用了一種新型總線訪問技術，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，同時有效提高吞吐量和網絡效率。

圖2 分區架構示例

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

ADI公司的AD330x 10BASE-T1S器件符合IEEE 802.3-2022標準。AD330x 10BASE-T1S以太網-邊緣總線(E2B)遠程控制協議(RCP)器件專門為遠程節點模式而設計，無需本地微控制器便能工作，自身便是完整的硬件解決方案，無需在邊緣節點部署軟件。基于以太網的E2B協議，結合集成的低復雜度以太網(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發時間，最終降低系統成本。ADI E2B收發器支持眾多功能，包括IEEE 802.1AS、OPEN聯盟TC10/TC14 10BASE-T1S睡眠/喚醒、拓撲發現（用來實現整車時間同步的智能解決方案）、省電模式以及便捷的診斷流程。

結論

從現有基于汽車域的設計到分區架構的轉變，標志著汽車工業的一次重大進步。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、大幅減少車內布線，從而減輕車身重量、提高燃油效率，同時保持成本優勢。與多種技術混用相比，在整車范圍內統一實施以太網可以大大降低網絡復雜性。10BASE-T1S的引入將汽車以太網擴展到車輛邊緣，有效減少了對昂貴網關的需求。

ADI公司的10BASE-T1S產品旨在連接邊緣節點，而E2B技術使純硬件節點能夠進一步降低物料(BOM)成本，進而也大幅縮短了測試和開發所需的時間。決策者需要充分了解相關的優勢、潛在的成本節約以及對生產可持續性的貢獻。采用10BASE-T1S的分區E/E架構，將為下一代車輛網絡提供可擴展的軟件平臺方案，推動車輛網絡技術取得更大進步。

參考文獻：

1CARIAD LinkedIn post。2021年。

2Rob Margeit。“Opinion:There’s Too Much Technology in Today’s New Cars”。Drive，2023年11月。

3“Automotive Ethernet:An Overview”。Ixia，2014年5月。

4Eunmin Choi、Hoseung Song、Suwon Kanh、Ji-Woong Choi。“High-Speed, Low-Latency In-Vehicle Network Based on the Bus Topology for Autonomous Vehicles: Automotive Networking and Applications”。《IEEE車輛技術雜志》，第17卷第1期，2022年3月。

作者簡介

Andreas Pellkofer畢業于慕尼黑工業大學電子和信息技術專業。他于2006年加入ADI公司，擔任應用工程師，從事Blackfin?處理器系列工作。之后他主要負責DSP汽車客戶。2013年，他開始擔任數字視頻產品部的系統工程師，主要負責汽車視頻傳輸和攝像頭系統。2018年，他成為新興系統和技術部的一員，致力于座艙內生命體征監測和實操檢測解決方案。自2020年起，他在汽車座艙體驗事業部從事10BASE-T1S產品的相關工作。

Madhura Deyanda Poonacha于2022年畢業于戈爾韋大學，獲得市場營銷管理研究生學位。她于2023年1月加入ADI公司，并在汽車座艙體驗事業部擔任ADI以太網到邊緣總線(E2B) 10BASE-T1S產品的產品營銷專家。