10BASE-T1S以太网如何简化汽车应用中的分区架构

摘要

现代汽车力求提供和家里一样的舒适性和娱乐功能，因此，行业对电子控制单元(ECU)的需求呈现爆发式增长。然而，传统的总线技术和电气/电子（E/E）架构已经难以满足这种需求。本文探讨以太网技术如何革新汽车空间，塑造完全互联的智能体验。

简介

自从1968年大众汽车率先将电子控制单元(ECU)应用于汽车以来，这种控制车辆各个部件运行的装置便得到了迅速普及。为了让驾乘者在车内也能享受到如同在家或工作时的舒适和娱乐体验，现代汽车的功能日益丰富。然而，由于车辆上需要处理的数据量越来越庞大，ECU之间的交互也日益频繁，大多数总线技术和电气/电子(E/E)架构（其中一些沿用了数十年）已经难以满足这种需求。

构建更佳的网络架构

目前，车辆ECU按照功能划分为多个几乎独立的域，例如动力总成、底盘、信息娱乐系统和舒适性配置等。传感器和执行器分散在车身各处，电线遍布整个车辆以连接到各功能域ECU（如图1所示）。这种设计增加了车辆的复杂性、成本和重量。线束的重量在汽车总重中排名第三，对车辆的续航里程有着显著影响。

为了方便各种ECU与简单传感器或执行器之间的通信，汽车行业早在几十年前就引入了控制器局域网(CAN)、FlexRay和本地互联网络(LIN)等传统总线技术。相比之下，不同域之间的通信则采用高速以太网。为了在这些不同的总线技术之间传输数据，需要在ECU内部使用昂贵的专用网关。

图1.域架构示例

车辆功能日益丰富，车辆架构的复杂性也正随之增加。无论是扩展现有功能还是引入新功能，都需要大量的开发、实现和测试工作。原始设备制造商(OEM)的目标不仅是在降低成本的同时加快创新步伐，还要通过售后服务和升级等方式创造持续的收入来源。与移动通信设备等其他消费类产品相比，车辆架构的开发周期要长得多。因此，许多OEM都致力于打破硬件和软件之间的固有联系，朝着软件定义汽车的方向发展。

然而，有两大挑战阻碍了这一愿景：

•静态功能域架构

•复杂的线束布线

我们认为理想的车辆架构是基于区域的架构（见图2）。本地ECU负责所有功能，不再受限于特定域。这些ECU连接到分区控制器，这可以将处理能力集中到车辆的少数单元中。分区ECU和高性能计算单元之间通过高速点对点链路进行通信。大众汽车集团的子公司CARIAD表示，这种架构能减少二十多个ECU以及总长度超过一公里的线束1。

随着前沿科技对汽车的设计和性能的持续革新，汽车产业正在经历一场重大的车辆网络架构转型。车对车通信、增强现实仪表盘和自动驾驶等技术的应用，不仅增加了汽车的复杂程度和制造成本，还需要用到更多的电子设备。预计到2030年，这些技术将推动汽车电子设备的使用量增长高达45%2。

随着分区架构的引入，车辆中大量的电气元件和控制系统被整合并集中到预定的区域内。现在，节点取决于其位置，而不是其功能ECU。网络变得更简单，车身重量减轻，燃油效率也提高了。此外，这种架构也更便于扩展，无需进行大规模改动即可轻松添加新功能和系统。现在，通过车辆的中央计算单元，无线软件升级也变得更加高效3。OEM现在可以远程增强车辆功能，比如为客户提供定制服务，以及实施售后策略，包括升级和改进先进驾驶辅助系统(ADAS)、自动驾驶系统、舒适性配置以及信息娱乐系统等。

化解挑战

传统总线技术缺乏新架构所需的性能能力，例如吞吐量和服务质量。现在，另一项成熟的技术——以太网——已在汽车行业得到应用。

数十年来，以太网技术随着对更高数据速率的需求而不断发展，主要方式是开发新的物理层(PHY)，从而在提高数据速率的同时，保持较高（协议）层相同或至少兼容，甚至可以同样的线束上实现某些不同的速度等级。网络特性由较高协议层主要以软件方式实现。

最初，以太网并非专门针对汽车环境而设计，缺乏电磁兼容性(EMC)和低能效等特性。此外，传统以太网使用两对或四对导线的屏蔽电缆，这与减轻重量的目标相悖。为满足汽车通信链路的所有需求，汽车行业对单条双绞线电缆解决方案进行了标准化，这推动了新型PHY技术的开发。

基于此，xBASE-T1汽车以太网标准（T1代表单条双绞线电缆）应运而生。该标准支持不同数据速率，以满足ECU互连的需求。此外，由更简单的设备——交换机，来处理不同速度等级之间的通信转换，从而减少了对昂贵网关的需求。

分区架构虽然为各种网络技术提供了广阔的平台，但仍然存在一些挑战，例如如何适应同质网络架构、缩短引导启动时间、降低延迟以及提高数据吞吐量。大约90%的网络节点以最高10 Mbps的速率运行，许多过去的汽车网络的技术，现在已经无法满足日益增长的数据传输需求4。这些限制阻碍了先进车载系统的顺利集成。因此，汽车行业迫切需要创新解决方案，以确保快速响应时间并提升整体性能。

10BASE-T1S的有效实施

将以太网扩展到边缘节点后，系统便拥有了一个稳健的网络，数据包传输变得更加简单。10BASE-T1S是IEEE 802.3-2022系列以太网标准的组成部分，OEM已开始实施这项以太网PHY技术，相关车辆计划在2025年前上路行驶。OPEN（单对以太网）联盟制定了规范来补充IEEE标准，旨在鼓励汽车行业广泛采用以太网。与其他汽车链路技术一样，10BASE-T1S支持多点模式配置。为了避免总线冲突，10BASE-T1S在带有冲突检测的载波侦听多路存取(CSMA/CD)机制之上，采用了一种新型总线访问技术，即物理层冲突避免(PLCA)。PLCA能够将延迟控制在可预测的范围内，同时有效提高吞吐量和网络效率。

图2.分区架构示例

在一些常见的系统关键型应用中使用10BASE-T1S，可以降低系统复杂性，从而更快速、更高效地传输车辆内部的数据。由此带来的更多系统优势包括：降低成本，增强安全性，无需复杂网关的统一通信机制，以及通过数据线供电的可选功能。这些优势共同确保了10BASE-T1S能够顺利集成到即将推出的下一代软件定义汽车。

ADI公司的AD330x 10BASE-T1S器件符合IEEE 802.3-2022标准。AD330x 10BASE-T1S以太网-边缘总线(E2B)远程控制协议(RCP)器件专门为远程节点模式而设计，无需本地微控制器便能工作，自身便是完整的硬件解决方案，无需在边缘节点部署软件。基于以太网的E2B协议，结合集成的低复杂度以太网(LCE)硬件加速器，在中央ECU与传感器或执行器之间建立起高效的通信通道。这种先进的解决方案将软件集中在分区控制器或中央控制单元中，赋予OEM完全的软件控制权，从而可以缩短测试和开发时间，最终降低系统成本。ADI E2B收发器支持众多功能，包括IEEE 802.1AS、OPEN联盟TC10/TC14 10BASE-T1S睡眠/唤醒、拓扑发现（用来实现整车时间同步的智能解决方案）、省电模式以及便捷的诊断流程。

结论

从现有基于汽车域的设计到分区架构的转变，标志着汽车工业的一次重大进步。分区架构提供了更高的灵活性和可扩展性，能够集中管理软件、大幅减少车内布线，从而减轻车身重量、提高燃油效率，同时保持成本优势。与多种技术混用相比，在整车范围内统一实施以太网可以大大降低网络复杂性。10BASE-T1S的引入将汽车以太网扩展到车辆边缘，有效减少了对昂贵网关的需求。

ADI公司的10BASE-T1S产品旨在连接边缘节点，而E2B技术使纯硬件节点能够进一步降低物料(BOM)成本，进而也大幅缩短了测试和开发所需的时间。决策者需要充分了解相关的优势、潜在的成本节约以及对生产可持续性的贡献。采用10BASE-T1S的分区E/E架构，将为下一代车辆网络提供可扩展的软件平台方案，推动车辆网络技术取得更大进步。

参考文献：

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车辆技术杂志》，第17卷第1期，2022年3月。