在當(dāng)代汽車內(nèi)部，通常有近100個電子控制單元(ECU)。而在豪華車型中，該數(shù)字可能更大。這些ECU負責(zé)各種不同的功能，從制動和變速箱控制，到發(fā)動機管理和空調(diào)等各個方面。目前，這些ECU通過多種總線技術(shù)進行相互通信。但是，隨著系統(tǒng)開始需要更高的性能和更快的響應(yīng)速度，汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在未來幾年內(nèi)將需要進行變革。

最近，為了支持汽車制造商工程團隊正在設(shè)計的全新數(shù)據(jù)密集型功能，汽車網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所需的帶寬出現(xiàn)了急劇攀升。例如，先進駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)技術(shù)的更廣泛采用要求獲取和隨后處理更大量的數(shù)據(jù)。此外，在接下來的十年中，自動駕駛的實施無疑將使這一高帶寬需求至少再增加一個數(shù)量級。

然而，長期以來一直在使用的本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等協(xié)議仍然在被廣泛使用，但這些協(xié)議給汽車網(wǎng)絡(luò)運行帶來的限制已經(jīng)變得越來越明顯。面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)和FlexRay等協(xié)議具有更高帶寬，原來預(yù)計這些技術(shù)會彌補一些不足，但實際上并沒有達到市場最初預(yù)期的效果。

與此同時，汽車制造商及其一級供應(yīng)合作伙伴正在試圖從依賴多種不同的總線協(xié)議，轉(zhuǎn)向?qū)嵤┮环N更加一致的網(wǎng)絡(luò)布局。新技術(shù)應(yīng)該能夠支持更快的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲，還應(yīng)該能夠減少相關(guān)的電纜布線，從而能夠降低材料成本，并提高燃油經(jīng)濟性(因為較少布線電纜可以減輕汽車的總重量)。最后，新技術(shù)應(yīng)該具備更高程度的操作安全性，能夠防止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)攻擊，這些網(wǎng)絡(luò)攻擊注定會成為日益嚴重的威脅。

以太網(wǎng)的優(yōu)勢

談起下一代汽車網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，汽車行業(yè)已經(jīng)將以太網(wǎng)技術(shù)視為能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸需求的強有力候選者。這種很早建立的通信協(xié)議通常應(yīng)用在企業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域，在組件、軟件、工具等方面具有可以重復(fù)利用的大量資源。單線對以太網(wǎng)聯(lián)盟(OPEN)特別興趣小組(SIG)是由寶馬、Broadcom、飛思卡爾、Harman、現(xiàn)代和恩智浦等知名品牌組成的行業(yè)機構(gòu)，其目標(biāo)是將基于以太網(wǎng)的通信作為未來汽車網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，并鼓勵實施IEEE定義的汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)需要考慮到各種工程因素，而又不影響傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸是通過單根非屏蔽雙絞線銅纜(而不是通常情況下需要多對電纜)，這有助于簡化系統(tǒng)實施，并節(jié)省空間。同時還需要考慮更高的工作溫度，以及所處汽車環(huán)境下的靜電放電(ESD)和電磁干擾(EMI)。盡管汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)處于非常不利的工作環(huán)境，其PHY收發(fā)器需要能夠確?？山邮艿牡驼`碼率(BER)，從而不會影響信號完整性。

確定性操作是另一個重要方面。 ADAS功能，以及最終的完全自動駕駛要求更低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，以便有些突發(fā)情況可以實時響應(yīng)，并使車輛乘客或其他道路使用者的生命安全不會受到威脅。集成到汽車網(wǎng)絡(luò)中的PHY還需要支持低功耗模式。當(dāng)發(fā)動機關(guān)閉時，ECU和其他硬件將處于睡眠模式。此時，PHY將保持部分上電，僅在汽車網(wǎng)絡(luò)上有活動后才喚醒系統(tǒng)。當(dāng)代以太網(wǎng)PHY具有非常高的集成度，不需要額外的組件(例如電壓穩(wěn)壓器等)，這顯著降低了能量消耗并延長了電池壽命。

100BASE-T1以太網(wǎng)協(xié)議(IEEE 802.3bw)的開發(fā)旨在滿足早期汽車以太網(wǎng)所需的較高數(shù)據(jù)傳輸速率要求，通過半雙工操作可達到100Mbps，并具有相對較低的延遲，以便在駕駛時能夠有效管理自適應(yīng)控制。它能夠通過重疊原理，并利用特定的編碼和擾碼(scrambling)系統(tǒng)來降低EMI的影響。更先進的1000BASE-T1協(xié)議(IEEE 802.3bp)使用全雙工模式通信，可以實現(xiàn)高達1Gbps速率的傳輸數(shù)據(jù)。按照技術(shù)發(fā)展路線圖，未來幾年內(nèi)將達到數(shù)千兆位數(shù)據(jù)傳輸速率，相應(yīng)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已在開發(fā)中，以滿足上述速率要求。

圖1：TJA1100框圖。

汽車以太網(wǎng)產(chǎn)品組合

現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的汽車以太網(wǎng)IC產(chǎn)品，其中恩智浦、Microchip和Broadcom是正在積極推動其開發(fā)的其中一些廠商，他們?yōu)楫?dāng)下的標(biāo)準(zhǔn)化進程做出了巨大貢獻。恩智浦的TJA1100(如圖1所示)是一個單端口100BASE-T1以太網(wǎng)PHY，可提供100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。它針對低功耗運行進行了優(yōu)化，具有內(nèi)置1.8V LDO穩(wěn)壓器和本地喚醒功能的睡眠模式。TJA1100完全符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為-40℃～+125℃。德州儀器(TI)的DP83TC811S-Q1 100Mbps以太網(wǎng)PHY支持全系列的獨立多媒體接口。為了幫助系統(tǒng)監(jiān)控和檢測電纜斷裂，并應(yīng)對溫度和電壓的變化以及ESD的沖擊，該器件配備了全面的診斷工具包(詳見圖2)。

圖2：德州儀器(TI)DP83TC811S-Q1的電路原理圖。

Micochip的KSZ9031RNX(如圖3所示)采用48引腳無鉛QFN封裝，支持最大1Gbps的數(shù)據(jù)速率， 它是一款三速(10BASE-T / 100BASE-TX / 1000BASE-T)以太網(wǎng)PHY，專門優(yōu)化用于當(dāng)代汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，其自動協(xié)商機制可以自動選擇所能處理的最高鏈接速度。該IC具有集成式LDO電壓控制器，用于驅(qū)動低成本MOSFET為1.2V內(nèi)核供電。Broadcom開發(fā)的BCM89610 10BASE-T / 100BASE-TX / 1000BASE-T PHY(見圖4)，也可支持最高1Gbps的數(shù)據(jù)速率，并具有業(yè)界領(lǐng)先的噪聲消除和傳輸抖動(transmission jitter)功能，因此可以和各種不同質(zhì)量的電纜配合使用。

圖3：Microchip KSZ9031RNX框圖。

圖4：Broadcom的BCM89610框圖。

結(jié)論

為了滿足汽車網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不斷增長的數(shù)據(jù)量需求，顯然需要更高性能的標(biāo)準(zhǔn)化接口和通信協(xié)議。隨著汽車系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度不斷增大，以及它們需要支持的功能范圍擴展，IC制造商面臨著越來越大的壓力，他們需要提供更先進的技術(shù)，同時降低相關(guān)的成本。人們普遍認為，以太網(wǎng)技術(shù)能夠滿足下述所有的要求：它是一種穩(wěn)定且廣泛使用的通信協(xié)議，同時也具有應(yīng)用于汽車領(lǐng)域所必需的特性，并在未來能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率。