汽車網(wǎng)絡的演變：從特定領域到基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構

長期以來，汽車一直是整個世界復雜性和創(chuàng)新性的縮影?，F(xiàn)代汽車如今已成為高性能計算平臺，能夠處理海量數(shù)據(jù)，本質上就像車輪上的數(shù)據(jù)中心。這些汽車控制著眾多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)相互依賴信息，實現(xiàn)高度自動化，并通過各種傳感器和執(zhí)行器與物理世界進行交互。

最初，這些子系統(tǒng)采用針對特定功能優(yōu)化的通信技術，即所謂的領域專用硬件架構。這種方法需要多個應用專用總線在不同域之間傳輸數(shù)據(jù)，因此需要網(wǎng)關計算機在各種硬件架構之間轉換信息。由于需要管理多達 20 種網(wǎng)絡標準，汽車制造商尋求一種更精簡的解決方案，為其通信基礎設施提供一個通用平臺。

過渡到基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構

汽車行業(yè)目前正在從這些舊式網(wǎng)絡架構過渡到基于以太網(wǎng)的單一主干網(wǎng)。這種轉變使得車輛能夠被劃分成不同的“區(qū)域”，從而能夠通過基于 IP 的、無處不在的以太網(wǎng)更輕松地與集中式計算平臺進行交互。汽車制造商與 IEEE 合作，幫助定義了一個物理層，該物理層只需要一對平衡線，而不是之前以太網(wǎng)安裝中常見的 2 對或 4 對線。下圖 1 展示了從特定領域的硬件架構到具有集中式計算平臺的區(qū)域架構的過渡。

圖 1：從特定領域到區(qū)域架構的網(wǎng)絡大趨勢

向基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構的過渡代表著汽車設計和功能的重大飛躍。通過采用單一通信技術，汽車制造商可以簡化車輛內(nèi)部網(wǎng)絡，降低維護多種通信標準所帶來的復雜性和成本。這種簡化的方法不僅提升了車輛性能，也為更先進的功能和性能鋪平了道路。

通用數(shù)據(jù)框架的好處

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)框架使車輛系統(tǒng)和功能能夠通過軟件定義，從而降低延遲和復雜性。隨著安全需求的不斷增長，標準化機制可以對網(wǎng)絡參與者進行身份驗證并根據(jù)需要加密信息。以前的通信總線缺乏安全功能，需要采用多種方法來緩解安全威脅。

通用數(shù)據(jù)框架的優(yōu)勢遠不止安全性和效率。通過標準化車輛內(nèi)部的通信協(xié)議，汽車制造商可以更輕松地集成新技術和功能。隨著自動駕駛、電動汽車(EV)和車聯(lián)網(wǎng)技術的不斷進步，汽車行業(yè)不斷發(fā)展，這種靈活性至關重要。通用數(shù)據(jù)框架確保這些創(chuàng)新能夠無縫融入車輛架構，從而提供更具凝聚力和集成度的駕駛體驗。

簡化的軟件升級

使用通用網(wǎng)絡可以簡化軟件升級，使設計人員能夠使用單一方法部署更新，而無需為不同的數(shù)據(jù)鏈路定義方法。簡化軟件升級的能力將徹底改變汽車行業(yè)的格局。隨著汽車越來越依賴軟件驅動，定期更新和增強功能的需求也日益重要。通用網(wǎng)絡基礎設施支持無線(OTA)更新，使汽車制造商無需前往經(jīng)銷商即可部署新功能、修復錯誤并提升性能。這不僅提升了客戶體驗，還降低了維護成本和停機時間。

10BASE-T1S 以太網(wǎng)：連接數(shù)字世界和物理世界

以太網(wǎng)的概念已存在 50 年，IEEE®規(guī)范于 40 年前發(fā)布，主要用于在計算機之間傳輸大量數(shù)據(jù)。然而，數(shù)字計算世界與汽車物理世界之間的接口仍然依賴于硬件，并且針對特定領域。為了解決這個問題，10BASE-T1S 以太網(wǎng)應運而生。

10BASE-T1S 以太網(wǎng)是一種多點總線，使用單對線纜作為主干。傳感器和執(zhí)行器直接連接到該線纜，無需使用以太網(wǎng)交換機連接多個設備。當數(shù)據(jù)接收并需要發(fā)送到更高速的互連時，只需一個帶有 10BASE-T1S 端口和其他更高速端口的簡單交換機即可。無需特殊的轉換網(wǎng)關，因為以太網(wǎng)網(wǎng)絡上的每個設備都使用相同的以太網(wǎng)幀格式。

10BASE-T1S 以太網(wǎng)的開發(fā)標志著汽車網(wǎng)絡發(fā)展史上的一個重要里程碑。通過提供標準化且高效的傳感器和執(zhí)行器連接方式，10BASE-T1S 以太網(wǎng)彌合了數(shù)字世界與物理世界之間的鴻溝。該技術可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理和通信，使車輛能夠更快、更準確地響應不斷變化的路況。10BASE-T1S 以太網(wǎng)確保車輛各系統(tǒng)無縫協(xié)作。圖 2 展示了這一概念的工作原理。

圖 2：區(qū)域架構與域架構

實際應用：演示

為了展示 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的實際應用，Microchip開發(fā)了一個演示，展示如何使用該技術連接車輛內(nèi)的各種傳感器和執(zhí)行器。該演示包含壓力、接近、光線和其他傳感器，它們可以捕獲真實世界的數(shù)據(jù)，然后由集中式計算平臺進行處理。處理后的數(shù)據(jù)用于控制電機、風扇、燈光和顯示器，進而與物理世界進行交互。圖 3 展示了演示板。

圖 3：多傳感器和執(zhí)行器演示

這種設置不僅凸顯了 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的多功能性，也凸顯了其簡化車輛通信系統(tǒng)設計和實施的潛力。10BASE-T1S 以太網(wǎng)使用單對多點總線，無需以太網(wǎng)交換機即可連接眾多傳感器和執(zhí)行器。當數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中流動時，一個帶有 10BASE-T1S 端口的簡單交換機即可連接更高速的連接，從而在整個系統(tǒng)中保持以太網(wǎng)幀格式的一致性。

為汽車制造商帶來巨大利益

使用單一協(xié)議實現(xiàn)大多數(shù)功能，對于必須支持多種特定應用標準的汽車制造商來說，具有顯著優(yōu)勢。每年的車型都會對高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)進行增強，這通常需要在未來配備新的攝像頭、雷達、超聲波傳感器和激光雷達，以及對信息娛樂和導航系統(tǒng)進行更新。汽車的其他部件也會逐步增強，有時僅增加新的軟件功能。

如今，車輛可能配備 40 種不同的線束、數(shù)十甚至數(shù)百個電子控制單元(ECU)，以及長達數(shù)英里、重達 250 磅的電線。不同應用所需的各種電纜也帶來了電磁兼容性(EMC)挑戰(zhàn)，因為每種應用都有其獨特的要求。

轉向單一協(xié)議簡化了車輛的內(nèi)部架構，減少了所需的線束和ECU數(shù)量。這不僅減輕了重量和復雜性，還提高了可靠性和維護的便捷性。由于需要管理的組件減少，汽車制造商可以專注于提升車輛的性能和功能，從而提供更佳的整體駕駛體驗。

滿足未來需求

為了滿足未來汽車的需求，未來汽車的代碼行數(shù)將很快從目前的一億行增加到數(shù)億行，汽車行業(yè)正在向基于以太網(wǎng)的區(qū)域電子/電氣(E/E)架構轉型。該架構將傳感器聚合到從區(qū)域網(wǎng)關到主干網(wǎng)和中央計算平臺的單一鏈路中。

為了支持現(xiàn)代車輛日益復雜的特性，過渡到基于以太網(wǎng)的區(qū)域 E/E 架構至關重要。隨著傳感器、執(zhí)行器和電子系統(tǒng)數(shù)量的不斷增長，可擴展且高效的網(wǎng)絡基礎設施變得至關重要。以太網(wǎng)提供處理這些系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)所需的帶寬和靈活性，確保車輛平穩(wěn)高效地運行。

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，基于以太網(wǎng)的架構的采用將在塑造汽車技術的未來方面發(fā)揮關鍵作用，確保車輛保持互聯(lián)、高效和創(chuàng)新。統(tǒng)一車輛通信架構最初只是一個概念，如今即將成為現(xiàn)實。目前道路上的一些車輛已經(jīng)將以太網(wǎng)用作其IT架構，而采用擴展到物理數(shù)字接口的全新分區(qū)架構的車型即將投入生產(chǎn)。這種方法不僅簡化了車輛設計，還為軟件驅動的創(chuàng)新開辟了新的可能，因為曾經(jīng)由硬件定義的功能現(xiàn)在可以通過軟件實現(xiàn)和更新。

超越汽車：以太網(wǎng)的廣泛應用

以太網(wǎng)的優(yōu)勢不僅限于汽車行業(yè)。工業(yè)應用也開始采用這項技術，這得益于對更高效、可擴展通信解決方案的需求。隨著以太網(wǎng)在汽車以外的領域日益普及，規(guī)模經(jīng)濟將有助于降低成本，使其更易于普及，并吸引更廣泛的應用。此外，隨著關于如何構建和實施基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)的知識不斷擴展，在各個行業(yè)開發(fā)和部署這些系統(tǒng)將變得更加容易。

從本質上講，以太網(wǎng)(特別是 10BASE-T1S 以太網(wǎng))的采用，是汽車技術中融合虛擬世界和現(xiàn)實世界的關鍵一步。這項技術不僅能夠實現(xiàn)未來車輛比以往任何時候都更智能、更安全、更互聯(lián)互通，而且還為跨多個領域的更廣泛創(chuàng)新奠定了基礎。

以太網(wǎng)從IT到汽車應用的演變歷程，充分證明了標準化的力量以及跨行業(yè)合作推動技術進步的潛力。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)將在塑造未來汽車方面發(fā)揮關鍵作用，開創(chuàng)一個以效率、安全和互聯(lián)為核心的全新出行時代。