10BASE-T1S 以太网如何简化汽车应用中的分区架构

在科技飞速发展的当下，汽车行业正经历着一场意义深远的变革。现代汽车不再仅仅是传统的交通工具，而是逐渐演变成集舒适性、娱乐性与智能化于一体的移动空间。为了实现诸如车对车通信、增强现实仪表盘和自动驾驶等先进功能，车辆对电子控制单元(ECU)的需求呈现出爆发式增长。然而，传统的总线技术和电气 / 电子(E/E)架构却在这股浪潮中显得力不从心，难以满足汽车行业日益增长的复杂需求。于是，以太网技术应运而生，为革新汽车空间、塑造完全互联的智能体验带来了新的曙光。

汽车网络架构的变革

在传统的汽车设计中，车辆的 ECU 按照功能被划分为多个几乎独立的域，像动力总成、底盘、信息娱乐系统和舒适性配置等。传感器和执行器分散于车身各处，大量电线纵横交错，连接着各个功能域的 ECU。这种设计虽然在一定时期内满足了汽车的基本功能需求，但随着汽车技术的不断进步，其弊端也愈发明显。它极大地增加了车辆的复杂性、成本以及重量，而线束的重量在汽车总重中位居第三，对车辆的续航里程产生了显著影响。

有鉴于此，汽车行业逐渐将目光投向基于区域的架构。在这种理想架构中，本地 ECU 的功能得到了极大拓展，不再局限于特定域，而是能够负责多种功能。这些 ECU 连接到分区控制器，进而将处理能力集中于车辆的少数关键单元中。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。据大众汽车集团的子公司 CARIAD 表示，这种架构能够减少二十多个 ECU，并且使总长度超过一公里的线束得以精简。

随着前沿科技持续推动汽车设计和性能的革新，汽车产业正处于车辆网络架构转型的关键时期。预计到 2030 年，车对车通信、自动驾驶等技术的广泛应用将推动汽车电子设备的使用量增长高达 45%。在分区架构的新模式下，车辆中大量的电气元件和控制系统被整合并集中到预定区域内。此时，节点的划分取决于其在车辆中的位置，而非功能 ECU。这一转变使得网络结构得到简化，车身重量得以减轻，燃油效率相应提高。而且，分区架构具备更强的可扩展性，在添加新功能和系统时，无需对车辆进行大规模改动。同时，借助车辆的中央计算单元，无线软件升级变得更加高效，汽车制造商(OEM)能够远程增强车辆功能，如为客户提供定制服务，以及对先进驾驶辅助系统(ADAS)、自动驾驶系统、舒适性配置和信息娱乐系统等进行升级和改进。

传统总线技术的局限与以太网的兴起

传统的总线技术在面对新架构的需求时，暴露出诸多性能短板。例如，在吞吐量方面，无法满足大量数据快速传输的要求;在服务质量上，难以保障数据传输的稳定性和可靠性。随着汽车智能化程度的不断提高，大量传感器和设备产生的数据需要高效传输和处理，传统总线技术的局限性愈发凸显，成为了先进车载系统集成的阻碍。

而以太网技术经过数十年的发展，已成为应对这一挑战的有力武器。以太网技术始终紧跟对更高数据速率的需求，不断演进。其主要发展方式是开发新的物理层(PHY)，通过这种方式，在提升数据速率的同时，能够保持较高(协议)层相同或至少兼容，甚至可以在同样的线束上实现不同的速度等级。并且，网络特性主要由较高协议层以软件方式实现，这为其在不同场景下的应用提供了极大的灵活性。

不过，最初的以太网并非专为汽车环境量身定制，存在一些不足之处。比如缺乏良好的电磁兼容性(EMC)，在汽车复杂的电磁环境中容易受到干扰;能效较低，不符合汽车节能的发展趋势;而且传统以太网使用两对或四对导线的屏蔽电缆，这无疑增加了车身重量，与汽车轻量化的目标背道而驰。

为了满足汽车通信链路的特殊需求，汽车行业开始对单条双绞线电缆解决方案进行标准化，这一举措有力地推动了新型 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。该标准支持不同的数据速率，能够很好地满足 ECU 互连多样化的需求。此外，通过更简单的设备 —— 交换机，就能处理不同速度等级之间的通信转换，大大减少了对昂贵网关的依赖。

10BASE-T1S 以太网的特性与优势

在众多汽车以太网技术中，10BASE-T1S 以太网脱颖而出，成为汽车网络架构中的重要力量。它是 IEEE 802.3 - 2022 系列以太网标准的组成部分，目前已经有 OEM 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)联盟还制定了规范来补充 IEEE 标准，进一步推动汽车行业对以太网的广泛采用。

10BASE-T1S 具有独特的多点模式配置，与其他汽车链路技术有所不同。为了避免总线冲突，它在带有冲突检测的载波侦听多路存取(CSMA/CD)机制之上，创新性地采用了物理层冲突避免(PLCA)技术。PLCA 能够将延迟精准控制在可预测的范围内，同时显著提高吞吐量和网络效率。这意味着在数据传输过程中，10BASE-T1S 能够确保数据快速、稳定地传输，避免了数据冲突导致的传输延迟和错误，为车辆内部复杂的数据交互提供了可靠保障。

在常见的系统关键型应用中使用 10BASE-T1S，能够有效降低系统复杂性，实现车辆内部数据更快速、高效的传输。它还带来了一系列其他优势：在成本方面，减少了对昂贵网关的需求，降低了硬件成本;在安全性上，进一步保障了数据传输的安全;通信机制上，提供了无需复杂网关的统一通信机制，使得车辆内部通信更加顺畅;功能拓展上，具备通过数据线供电的可选功能，为车辆的功能设计提供了更多可能性。这些优势使得 10BASE-T1S 能够很好地融入即将推出的下一代软件定义汽车。

以 ADI 公司的 AD330x 10BASE-T1S 器件为例，它完全符合 IEEE 802.3 - 2022 标准。其中，AD330x 10BASE-T1S 以太网 - 边缘总线(E²B)远程控制协议(RCP)器件专为远程节点模式设计，无需本地微控制器即可独立工作，自身构成了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，能够在中央 ECU 与传感器或执行器之间构建起高效的通信通道。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，从而大大缩短了测试和开发时间，最终实现系统成本的降低。ADI E²B 收发器还支持众多实用功能，包括 IEEE 802.1AS、OPEN 联盟 TC10/TC14 10BASE-T1S 睡眠 / 唤醒、拓扑发现(用于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等。

10BASE-T1S 对汽车分区架构的简化作用

从现有基于汽车域的设计向分区架构的转变，是汽车工业发展的重大进步。分区架构在灵活性和可扩展性方面具有显著优势，能够实现软件的集中管理，大幅减少车内布线，减轻车身重量，提高燃油效率，同时还能保持成本优势。在整车范围内统一实施以太网，与多种技术混用的情况相比，可以极大地降低网络复杂性。而 10BASE-T1S 的引入，更是将汽车以太网成功扩展到车辆边缘，进一步简化了汽车的网络架构。

在传统的汽车网络中，由于不同的总线技术在不同域之间传输数据，需要在 ECU 内部使用昂贵的专用网关进行协议转换。而 10BASE-T1S 以太网采用统一的通信协议，使得传感器和执行器可以直接连接到以太网上，无需复杂的网关进行协议转换。例如，在车身领域、舒适性、信息娱乐以及 ADAS 系统等多个功能应用中，多种传感器和驱动器都可以通过 10BASE-T1S 以太网实现高效连接。在实际应用中，像车辆的门锁系统、氛围灯、LED 灯光系统以及雷达等边缘节点，都能够借助 10BASE-T1S 以太网实现数据的快速传输和控制。

此外，10BASE-T1S 以太网支持多点拓扑结构，所有节点都通过同一对非屏蔽双绞线连接。这种独特的总线配置优化了物料清单(BOM)，每个节点仅需部署一个以太网 PHY，无需采用与其他以太网技术相关的切换或星型拓扑，有效降低了硬件成本和系统复杂性。该标准规定至少支持 8 个节点(实际可支持更多节点)，总线长度可达 25 米，能够满足汽车内部不同区域的网络连接需求。

综上所述，10BASE-T1S 以太网凭借其独特的技术特性和优势，在简化汽车应用中的分区架构方面发挥着重要作用。它为汽车行业带来了更高效、更可靠、更具成本效益的网络解决方案，推动着汽车向智能化、互联化的方向不断迈进。随着技术的不断发展和完善，10BASE-T1S 以太网有望在未来的汽车领域中发挥更为重要的作用，助力汽车行业实现更大的技术突破和创新发展。