為何10BASE-T1S是汽車通信中缺失的以太網(wǎng)鏈路

摘要

新的IEEE汽車以太網(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。本文討論汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，它們反映了汽車電子/電氣(E/E)架構(gòu)的變化，以及新10BASE-T1S標(biāo)準(zhǔn)如何支持和推動這種新架構(gòu)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(gòu)，以支持新功能。雖然這種變革帶來了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但也為OEM提供了機會，讓他們開始考慮在E/E架構(gòu)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(gòu)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(shù)解決方案，同時通過汽車個性化、銷售服務(wù)和無線(OTA)升級等功能增加售后收入。該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向一種常見的新架構(gòu)，通常被稱為區(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，使汽車成為車輪上的計算機。

區(qū)域架構(gòu)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(gòu)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(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(shè)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(gòu)變革帶來了很多挑戰(zhàn)，促使許多OEM對整個組織進(jìn)行重組，從各個部門各自負(fù)責(zé)特定獨立域功能控制器，轉(zhuǎn)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(shè)備的主要領(lǐng)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(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)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(wù)的架構(gòu)，采用充分開發(fā)的安全和防護構(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車輛的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

圖1.汽車的區(qū)域架構(gòu)

汽車領(lǐng)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(gòu)有一些獨特的需求，因此需要開發(fā)新技術(shù)。對于汽車，一個關(guān)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(dá)60千克)。3傳統(tǒng)的以太網(wǎng)電纜使用四個差分對進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這會增大汽車的重量和布線復(fù)雜性，對汽車應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，支持通過單對雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，此外，還通過區(qū)域架構(gòu)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(qū)動對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，顯然需要將以太網(wǎng)連接擴展到終端傳感器和驅(qū)動器?，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)中實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，這可能導(dǎo)致成本、復(fù)雜性和延時增加。現(xiàn)有的汽車以太網(wǎng)技術(shù)(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(yīng)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(guān)鍵要求包括：4

? 實現(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)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

? 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

? 能夠支持簡單、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與其他汽車以太網(wǎng)技術(shù)不同的一個獨特之處：它支持多點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(shù)關(guān)聯(lián)的切換或星型拓?fù)洹Ｔ摌?biāo)準(zhǔn)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(dá)到25米。

圖2.10BASE-T1S總線拓?fù)?

該標(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(luò)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(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)可用于點對點配置，目前作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的一部分，也支持多點拓?fù)洹?

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

結(jié)論

汽車E/E架構(gòu)正在經(jīng)歷一場重大變革。向區(qū)域E/E架構(gòu)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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。

聯(lián)系A(chǔ)DI公司，了解我們的10BASE-T1S產(chǎn)品，以及我們計劃如何幫助在汽車領(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囓浖脚_用例?！盡cKinsey & Company，2020年1月。

3 Dan Scott?！艾F(xiàn)今汽車領(lǐng)域的線束開發(fā)?！蔽鏖T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。

作者簡介

Fionn Hurley是就職于愛爾蘭利默里克的ADI公司汽車座艙電子業(yè)務(wù)部的營銷經(jīng)理。他于2007年加入ADI公司。之前擔(dān)任RF設(shè)計工程師。他畢業(yè)于愛爾蘭科克大學(xué)(UCC)，獲得電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位。