汽車網(wǎng)絡(luò)的演變：從特定領(lǐng)域到基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)

長(zhǎng)期以來，汽車一直是整個(gè)世界復(fù)雜性和創(chuàng)新性的縮影?，F(xiàn)代汽車如今已成為高性能計(jì)算平臺(tái)，能夠處理海量數(shù)據(jù)，本質(zhì)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(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，并通過各種傳感器和執(zhí)行器與物理世界進(jìn)行交互。

最初，這些子系統(tǒng)采用針對(duì)特定功能優(yōu)化的通信技術(shù)，即所謂的領(lǐng)域?qū)Ｓ糜布軜?gòu)。這種方法需要多個(gè)應(yīng)用專用總線在不同域之間傳輸數(shù)據(jù)，因此需要網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)在各種硬件架構(gòu)之間轉(zhuǎn)換信息。由于需要管理多達(dá) 20 種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商尋求一種更精簡(jiǎn)的解決方案，為其通信基礎(chǔ)設(shè)施提供一個(gè)通用平臺(tái)。

過渡到基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)

汽車行業(yè)目前正在從這些舊式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)過渡到基于以太網(wǎng)的單一主干網(wǎng)。這種轉(zhuǎn)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(jì)算平臺(tái)進(jìn)行交互。汽車制造商與 IEEE 合作，幫助定義了一個(gè)物理層，該物理層只需要一對(duì)平衡線，而不是之前以太網(wǎng)安裝中常見的 2 對(duì)或 4 對(duì)線。下圖 1 展示了從特定領(lǐng)域的硬件架構(gòu)到具有集中式計(jì)算平臺(tái)的區(qū)域架構(gòu)的過渡。

圖 1：從特定領(lǐng)域到區(qū)域架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)大趨勢(shì)

向基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)的過渡代表著汽車設(shè)計(jì)和功能的重大飛躍。通過采用單一通信技術(shù)，汽車制造商可以簡(jiǎn)化車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，降低維護(hù)多種通信標(biāo)準(zhǔn)所帶來的復(fù)雜性和成本。這種簡(jiǎn)化的方法不僅提升了車輛性能，也為更先進(jìn)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(fù)雜性。隨著安全需求的不斷增長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)參與者進(jìn)行身份驗(yàn)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(shì)遠(yuǎn)不止安全性和效率。通過標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和功能。隨著自動(dòng)駕駛、電動(dòng)汽車(EV)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車行業(yè)不斷發(fā)展，這種靈活性至關(guān)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(gòu)，從而提供更具凝聚力和集成度的駕駛體驗(yàn)。

簡(jiǎn)化的軟件升級(jí)

使用通用網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化軟件升級(jí)，使設(shè)計(jì)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(jiǎn)化軟件升級(jí)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(qū)動(dòng)，定期更新和增強(qiáng)功能的需求也日益重要。通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(fù)錯(cuò)誤并提升性能。這不僅提升了客戶體驗(yàn)，還降低了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)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(jì)算機(jī)之間傳輸大量數(shù)據(jù)。然而，數(shù)字計(jì)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(duì)特定領(lǐng)域。為了解決這個(gè)問題，10BASE-T1S 以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

10BASE-T1S 以太網(wǎng)是一種多點(diǎn)總線，使用單對(duì)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(jī)連接多個(gè)設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)接收并需要發(fā)送到更高速的互連時(shí)，只需一個(gè)帶有 10BASE-T1S 端口和其他更高速端口的簡(jiǎn)單交換機(jī)即可。無需特殊的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)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(biāo)志著汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。通過提供標(biāo)準(zhǔn)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(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和通信，使車輛能夠更快、更準(zhǔn)確地響應(yīng)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(gòu)與域架構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用：演示

為了展示 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，Microchip開發(fā)了一個(gè)演示，展示如何使用該技術(shù)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(shí)世界的數(shù)據(jù)，然后由集中式計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)用于控制電機(jī)、風(fēng)扇、燈光和顯示器，進(jìn)而與物理世界進(jìn)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(shè)置不僅凸顯了 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的多功能性，也凸顯了其簡(jiǎn)化車輛通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的潛力。10BASE-T1S 以太網(wǎng)使用單對(duì)多點(diǎn)總線，無需以太網(wǎng)交換機(jī)即可連接眾多傳感器和執(zhí)行器。當(dāng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)時(shí)，一個(gè)帶有 10BASE-T1S 端口的簡(jiǎn)單交換機(jī)即可連接更高速的連接，從而在整個(gè)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(shí)現(xiàn)大多數(shù)功能，對(duì)于必須支持多種特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的汽車制造商來說，具有顯著優(yōu)勢(shì)。每年的車型都會(huì)對(duì)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)進(jìn)行增強(qiáng)，這通常需要在未來配備新的攝像頭、雷達(dá)、超聲波傳感器和激光雷達(dá)，以及對(duì)信息娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行更新。汽車的其他部件也會(huì)逐步增強(qiáng)，有時(shí)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(gè)電子控制單元(ECU)，以及長(zhǎng)達(dá)數(shù)英里、重達(dá) 250 磅的電線。不同應(yīng)用所需的各種電纜也帶來了電磁兼容性(EMC)挑戰(zhàn)，因?yàn)槊糠N應(yīng)用都有其獨(dú)特的要求。

轉(zhuǎn)向單一協(xié)議簡(jiǎn)化了車輛的內(nèi)部架構(gòu)，減少了所需的線束和ECU數(shù)量。這不僅減輕了重量和復(fù)雜性，還提高了可靠性和維護(hù)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(yàn)。

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(gòu)轉(zhuǎn)型。該架構(gòu)將傳感器聚合到從區(qū)域網(wǎng)關(guān)到主干網(wǎng)和中央計(jì)算平臺(tái)的單一鏈路中。

為了支持現(xiàn)代車輛日益復(fù)雜的特性，過渡到基于以太網(wǎng)的區(qū)域 E/E 架構(gòu)至關(guān)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(zhǎng)，可擴(kuò)展且高效的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施變得至關(guān)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(yùn)行。

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，基于以太網(wǎng)的架構(gòu)的采用將在塑造汽車技術(shù)的未來方面發(fā)揮關(guān)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(gòu)最初只是一個(gè)概念，如今即將成為現(xiàn)實(shí)。目前道路上的一些車輛已經(jīng)將以太網(wǎng)用作其IT架構(gòu)，而采用擴(kuò)展到物理數(shù)字接口的全新分區(qū)架構(gòu)的車型即將投入生產(chǎn)。這種方法不僅簡(jiǎn)化了車輛設(shè)計(jì)，還為軟件驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新開辟了新的可能，因?yàn)樵?jīng)由硬件定義的功能現(xiàn)在可以通過軟件實(shí)現(xiàn)和更新。

超越汽車：以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用

以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)不僅限于汽車行業(yè)。工業(yè)應(yīng)用也開始采用這項(xiàng)技術(shù)，這得益于對(duì)更高效、可擴(kuò)展通信解決方案的需求。隨著以太網(wǎng)在汽車以外的領(lǐng)域日益普及，規(guī)模經(jīng)濟(jì)將有助于降低成本，使其更易于普及，并吸引更廣泛的應(yīng)用。此外，隨著關(guān)于如何構(gòu)建和實(shí)施基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)的知識(shí)不斷擴(kuò)展，在各個(gè)行業(yè)開發(fā)和部署這些系統(tǒng)將變得更加容易。

從本質(zhì)上講，以太網(wǎng)(特別是 10BASE-T1S 以太網(wǎng))的采用，是汽車技術(shù)中融合虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)鍵一步。這項(xiàng)技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)未來車輛比以往任何時(shí)候都更智能、更安全、更互聯(lián)互通，而且還為跨多個(gè)領(lǐng)域的更廣泛創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

以太網(wǎng)從IT到汽車應(yīng)用的演變歷程，充分證明了標(biāo)準(zhǔn)化的力量以及跨行業(yè)合作推動(dòng)技術(shù)進(jìn)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(guān)鍵作用，開創(chuàng)一個(gè)以效率、安全和互聯(lián)為核心的全新出行時(shí)代。