在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，汽車行業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)意義深遠(yuǎn)的變革?，F(xiàn)代汽車不再僅僅是傳統(tǒng)的交通工具，而是逐漸演變成集舒適性、娛樂(lè)性與智能化于一體的移動(dòng)空間。為了實(shí)現(xiàn)諸如車對(duì)車通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)儀表盤和自動(dòng)駕駛等先進(jìn)功能，車輛對(duì)電子控制單元(ECU)的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)的總線技術(shù)和電氣 / 電子(E/E)架構(gòu)卻在這股浪潮中顯得力不從心，難以滿足汽車行業(yè)日益增長(zhǎng)的復(fù)雜需求。于是，以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為革新汽車空間、塑造完全互聯(lián)的智能體驗(yàn)帶來(lái)了新的曙光。

汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革

在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)中，車輛的 ECU 按照功能被劃分為多個(gè)幾乎獨(dú)立的域，像動(dòng)力總成、底盤、信息娛樂(lè)系統(tǒng)和舒適性配置等。傳感器和執(zhí)行器分散于車身各處，大量電線縱橫交錯(cuò)，連接著各個(gè)功能域的 ECU。這種設(shè)計(jì)雖然在一定時(shí)期內(nèi)滿足了汽車的基本功能需求，但隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，其弊端也愈發(fā)明顯。它極大地增加了車輛的復(fù)雜性、成本以及重量，而線束的重量在汽車總重中位居第三，對(duì)車輛的續(xù)航里程產(chǎn)生了顯著影響。

有鑒于此，汽車行業(yè)逐漸將目光投向基于區(qū)域的架構(gòu)。在這種理想架構(gòu)中，本地 ECU 的功能得到了極大拓展，不再局限于特定域，而是能夠負(fù)責(zé)多種功能。這些 ECU 連接到分區(qū)控制器，進(jìn)而將處理能力集中于車輛的少數(shù)關(guān)鍵單元中。分區(qū) ECU 和高性能計(jì)算單元之間通過(guò)高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路進(jìn)行通信。據(jù)大眾汽車集團(tuán)的子公司 CARIAD 表示，這種架構(gòu)能夠減少二十多個(gè) ECU，并且使總長(zhǎng)度超過(guò)一公里的線束得以精簡(jiǎn)。

隨著前沿科技持續(xù)推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)和性能的革新，汽車產(chǎn)業(yè)正處于車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。預(yù)計(jì)到 2030 年，車對(duì)車通信、自動(dòng)駕駛等技術(shù)的廣泛應(yīng)用將推動(dòng)汽車電子設(shè)備的使用量增長(zhǎng)高達(dá) 45%。在分區(qū)架構(gòu)的新模式下，車輛中大量的電氣元件和控制系統(tǒng)被整合并集中到預(yù)定區(qū)域內(nèi)。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)的劃分取決于其在車輛中的位置，而非功能 ECU。這一轉(zhuǎn)變使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，車身重量得以減輕，燃油效率相應(yīng)提高。而且，分區(qū)架構(gòu)具備更強(qiáng)的可擴(kuò)展性，在添加新功能和系統(tǒng)時(shí)，無(wú)需對(duì)車輛進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)。同時(shí)，借助車輛的中央計(jì)算單元，無(wú)線軟件升級(jí)變得更加高效，汽車制造商(OEM)能夠遠(yuǎn)程增強(qiáng)車輛功能，如為客戶提供定制服務(wù)，以及對(duì)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、舒適性配置和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等進(jìn)行升級(jí)和改進(jìn)。

傳統(tǒng)總線技術(shù)的局限與以太網(wǎng)的興起

傳統(tǒng)的總線技術(shù)在面對(duì)新架構(gòu)的需求時(shí)，暴露出諸多性能短板。例如，在吞吐量方面，無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)囊?在服務(wù)質(zhì)量上，難以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。隨著汽車智能化程度的不斷提高，大量傳感器和設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要高效傳輸和處理，傳統(tǒng)總線技術(shù)的局限性愈發(fā)凸顯，成為了先進(jìn)車載系統(tǒng)集成的阻礙。

而以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已成為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的有力武器。以太網(wǎng)技術(shù)始終緊跟對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求，不斷演進(jìn)。其主要發(fā)展方式是開(kāi)發(fā)新的物理層(PHY)，通過(guò)這種方式，在提升數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，能夠保持較高(協(xié)議)層相同或至少兼容，甚至可以在同樣的線束上實(shí)現(xiàn)不同的速度等級(jí)。并且，網(wǎng)絡(luò)特性主要由較高協(xié)議層以軟件方式實(shí)現(xiàn)，這為其在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用提供了極大的靈活性。

不過(guò)，最初的以太網(wǎng)并非專為汽車環(huán)境量身定制，存在一些不足之處。比如缺乏良好的電磁兼容性(EMC)，在汽車復(fù)雜的電磁環(huán)境中容易受到干擾;能效較低，不符合汽車節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì);而且傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用兩對(duì)或四對(duì)導(dǎo)線的屏蔽電纜，這無(wú)疑增加了車身重量，與汽車輕量化的目標(biāo)背道而馳。

為了滿足汽車通信鏈路的特殊需求，汽車行業(yè)開(kāi)始對(duì)單條雙絞線電纜解決方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這一舉措有力地推動(dòng)了新型 PHY 技術(shù)的開(kāi)發(fā)?；诖?，xBASE-T1 汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(T1 代表單條雙絞線電纜)應(yīng)運(yùn)而生。該標(biāo)準(zhǔn)支持不同的數(shù)據(jù)速率，能夠很好地滿足 ECU 互連多樣化的需求。此外，通過(guò)更簡(jiǎn)單的設(shè)備 —— 交換機(jī)，就能處理不同速度等級(jí)之間的通信轉(zhuǎn)換，大大減少了對(duì)昂貴網(wǎng)關(guān)的依賴。

10BASE-T1S 以太網(wǎng)的特性與優(yōu)勢(shì)

在眾多汽車以太網(wǎng)技術(shù)中，10BASE-T1S 以太網(wǎng)脫穎而出，成為汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的重要力量。它是 IEEE 802.3 - 2022 系列以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，目前已經(jīng)有 OEM 開(kāi)始實(shí)施這項(xiàng)以太網(wǎng) PHY 技術(shù)，相關(guān)車輛計(jì)劃在 2025 年前上路行駛。OPEN(單對(duì)以太網(wǎng))聯(lián)盟還制定了規(guī)范來(lái)補(bǔ)充 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推動(dòng)汽車行業(yè)對(duì)以太網(wǎng)的廣泛采用。

10BASE-T1S 具有獨(dú)特的多點(diǎn)模式配置，與其他汽車鏈路技術(shù)有所不同。為了避免總線沖突，它在帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路存取(CSMA/CD)機(jī)制之上，創(chuàng)新性地采用了物理層沖突避免(PLCA)技術(shù)。PLCA 能夠?qū)⒀舆t精準(zhǔn)控制在可預(yù)測(cè)的范圍內(nèi)，同時(shí)顯著提高吞吐量和網(wǎng)絡(luò)效率。這意味著在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，10BASE-T1S 能夠確保數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定地傳輸，避免了數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的傳輸延遲和錯(cuò)誤，為車輛內(nèi)部復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互提供了可靠保障。

在常見(jiàn)的系統(tǒng)關(guān)鍵型應(yīng)用中使用 10BASE-T1S，能夠有效降低系統(tǒng)復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)更快速、高效的傳輸。它還帶來(lái)了一系列其他優(yōu)勢(shì)：在成本方面，減少了對(duì)昂貴網(wǎng)關(guān)的需求，降低了硬件成本;在安全性上，進(jìn)一步保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?通信機(jī)制上，提供了無(wú)需復(fù)雜網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一通信機(jī)制，使得車輛內(nèi)部通信更加順暢;功能拓展上，具備通過(guò)數(shù)據(jù)線供電的可選功能，為車輛的功能設(shè)計(jì)提供了更多可能性。這些優(yōu)勢(shì)使得 10BASE-T1S 能夠很好地融入即將推出的下一代軟件定義汽車。

以 ADI 公司的 AD330x 10BASE-T1S 器件為例，它完全符合 IEEE 802.3 - 2022 標(biāo)準(zhǔn)。其中，AD330x 10BASE-T1S 以太網(wǎng) - 邊緣總線(E2B)遠(yuǎn)程控制協(xié)議(RCP)器件專為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)模式設(shè)計(jì)，無(wú)需本地微控制器即可獨(dú)立工作，自身構(gòu)成了完整的硬件解決方案，無(wú)需在邊緣節(jié)點(diǎn)部署軟件?；谝蕴W(wǎng)的 E2B 協(xié)議，結(jié)合集成的低復(fù)雜度以太網(wǎng)(LCE)硬件加速器，能夠在中央 ECU 與傳感器或執(zhí)行器之間構(gòu)建起高效的通信通道。這種先進(jìn)的解決方案將軟件集中在分區(qū)控制器或中央控制單元中，賦予 OEM 完全的軟件控制權(quán)，從而大大縮短了測(cè)試和開(kāi)發(fā)時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本的降低。ADI E2B 收發(fā)器還支持眾多實(shí)用功能，包括 IEEE 802.1AS、OPEN 聯(lián)盟 TC10/TC14 10BASE-T1S 睡眠 / 喚醒、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)(用于實(shí)現(xiàn)整車時(shí)間同步的智能解決方案)、省電模式以及便捷的診斷流程等。

10BASE-T1S 對(duì)汽車分區(qū)架構(gòu)的簡(jiǎn)化作用

從現(xiàn)有基于汽車域的設(shè)計(jì)向分區(qū)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，是汽車工業(yè)發(fā)展的重大進(jìn)步。分區(qū)架構(gòu)在靈活性和可擴(kuò)展性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的集中管理，大幅減少車內(nèi)布線，減輕車身重量，提高燃油效率，同時(shí)還能保持成本優(yōu)勢(shì)。在整車范圍內(nèi)統(tǒng)一實(shí)施以太網(wǎng)，與多種技術(shù)混用的情況相比，可以極大地降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。而 10BASE-T1S 的引入，更是將汽車以太網(wǎng)成功擴(kuò)展到車輛邊緣，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

在傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)中，由于不同的總線技術(shù)在不同域之間傳輸數(shù)據(jù)，需要在 ECU 內(nèi)部使用昂貴的專用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。而 10BASE-T1S 以太網(wǎng)采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，使得傳感器和執(zhí)行器可以直接連接到以太網(wǎng)上，無(wú)需復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。例如，在車身領(lǐng)域、舒適性、信息娛樂(lè)以及 ADAS 系統(tǒng)等多個(gè)功能應(yīng)用中，多種傳感器和驅(qū)動(dòng)器都可以通過(guò) 10BASE-T1S 以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效連接。在實(shí)際應(yīng)用中，像車輛的門鎖系統(tǒng)、氛圍燈、LED 燈光系統(tǒng)以及雷達(dá)等邊緣節(jié)點(diǎn)，都能夠借助 10BASE-T1S 以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和控制。

此外，10BASE-T1S 以太網(wǎng)支持多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)同一對(duì)非屏蔽雙絞線連接。這種獨(dú)特的總線配置優(yōu)化了物料清單(BOM)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅需部署一個(gè)以太網(wǎng) PHY，無(wú)需采用與其他以太網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的切換或星型拓?fù)?，有效降低了硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定至少支持 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)(實(shí)際可支持更多節(jié)點(diǎn))，總線長(zhǎng)度可達(dá) 25 米，能夠滿足汽車內(nèi)部不同區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)連接需求。

綜上所述，10BASE-T1S 以太網(wǎng)憑借其獨(dú)特的技術(shù)特性和優(yōu)勢(shì)，在簡(jiǎn)化汽車應(yīng)用中的分區(qū)架構(gòu)方面發(fā)揮著重要作用。它為汽車行業(yè)帶來(lái)了更高效、更可靠、更具成本效益的網(wǎng)絡(luò)解決方案，推動(dòng)著汽車向智能化、互聯(lián)化的方向不斷邁進(jìn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，10BASE-T1S 以太網(wǎng)有望在未來(lái)的汽車領(lǐng)域中發(fā)揮更為重要的作用，助力汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)更大的技術(shù)突破和創(chuàng)新發(fā)展。