摘要

現(xiàn)代汽車力求提供和家里一樣的舒適性和娛樂(lè)功能，因此，行業(yè)對(duì)電子控制單元(ECU)的需求呈現(xiàn)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)已經(jīng)難以滿足這種需求。本文探討以太網(wǎng)技術(shù)如何革新汽車空間，塑造完全互聯(lián)的智能體驗(yàn)。

簡(jiǎn)介

自從1968年大眾汽車率先將電子控制單元(ECU)應(yīng)用于汽車以來(lái)，這種控制車輛各個(gè)部件運(yùn)行的裝置便得到了迅速普及。為了讓駕乘者在車內(nèi)也能享受到如同在家或工作時(shí)的舒適和娛樂(lè)體驗(yàn)，現(xiàn)代汽車的功能日益豐富。然而，由于車輛上需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越龐大，ECU之間的交互也日益頻繁，大多數(shù)總線技術(shù)和電氣/電子(E/E)架構(gòu)（其中一些沿用了數(shù)十年）已經(jīng)難以滿足這種需求。

構(gòu)建更佳的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，車輛ECU按照功能劃分為多個(gè)幾乎獨(dú)立的域，例如動(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)行器分散在車身各處，電線遍布整個(gè)車輛以連接到各功能域ECU（如圖1所示）。這種設(shè)計(jì)增加了車輛的復(fù)雜性、成本和重量。線束的重量在汽車總重中排名第三，對(duì)車輛的續(xù)航里程有著顯著影響。

為了方便各種ECU與簡(jiǎn)單傳感器或執(zhí)行器之間的通信，汽車行業(yè)早在幾十年前就引入了控制器局域網(wǎng)(CAN)、FlexRay和本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)等傳統(tǒng)總線技術(shù)。相比之下，不同域之間的通信則采用高速以太網(wǎng)。為了在這些不同的總線技術(shù)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)。

圖1.域架構(gòu)示例

車輛功能日益豐富，車輛架構(gòu)的復(fù)雜性也正隨之增加。無(wú)論是擴(kuò)展現(xiàn)有功能還是引入新功能，都需要大量的開(kāi)發(fā)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試工作。原始設(shè)備制造商(OEM)的目標(biāo)不僅是在降低成本的同時(shí)加快創(chuàng)新步伐，還要通過(guò)售后服務(wù)和升級(jí)等方式創(chuàng)造持續(xù)的收入來(lái)源。與移動(dòng)通信設(shè)備等其他消費(fèi)類產(chǎn)品相比，車輛架構(gòu)的開(kāi)發(fā)周期要長(zhǎng)得多。因此，許多OEM都致力于打破硬件和軟件之間的固有聯(lián)系，朝著軟件定義汽車的方向發(fā)展。

然而，有兩大挑戰(zhàn)阻礙了這一愿景：

?靜態(tài)功能域架構(gòu)

?復(fù)雜的線束布線

我們認(rèn)為理想的車輛架構(gòu)是基于區(qū)域的架構(gòu)（見(jiàn)圖2）。本地ECU負(fù)責(zé)所有功能，不再受限于特定域。這些ECU連接到分區(qū)控制器，這可以將處理能力集中到車輛的少數(shù)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。大眾汽車集團(tuán)的子公司CARIAD表示，這種架構(gòu)能減少二十多個(gè)ECU以及總長(zhǎng)度超過(guò)一公里的線束1。

隨著前沿科技對(duì)汽車的設(shè)計(jì)和性能的持續(xù)革新，汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大的車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型。車對(duì)車通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)儀表盤和自動(dòng)駕駛等技術(shù)的應(yīng)用，不僅增加了汽車的復(fù)雜程度和制造成本，還需要用到更多的電子設(shè)備。預(yù)計(jì)到2030年，這些技術(shù)將推動(dòng)汽車電子設(shè)備的使用量增長(zhǎng)高達(dá)45%2。

隨著分區(qū)架構(gòu)的引入，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)定的區(qū)域內(nèi)。現(xiàn)在，節(jié)點(diǎn)取決于其位置，而不是其功能ECU。網(wǎng)絡(luò)變得更簡(jiǎn)單，車身重量減輕，燃油效率也提高了。此外，這種架構(gòu)也更便于擴(kuò)展，無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)即可輕松添加新功能和系統(tǒng)?，F(xiàn)在，通過(guò)車輛的中央計(jì)算單元，無(wú)線軟件升級(jí)也變得更加高效3。OEM現(xiàn)在可以遠(yuǎn)程增強(qiáng)車輛功能，比如為客戶提供定制服務(wù)，以及實(shí)施售后策略，包括升級(jí)和改進(jìn)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、舒適性配置以及信息娛樂(lè)系統(tǒng)等。

化解挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)總線技術(shù)缺乏新架構(gòu)所需的性能能力，例如吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。現(xiàn)在，另一項(xiàng)成熟的技術(shù)——以太網(wǎng)——已在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。

數(shù)十年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)隨著對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求而不斷發(fā)展，主要方式是開(kāi)發(fā)新的物理層(PHY)，從而在提高數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，保持較高（協(xié)議）層相同或至少兼容，甚至可以同樣的線束上實(shí)現(xiàn)某些不同的速度等級(jí)。網(wǎng)絡(luò)特性由較高協(xié)議層主要以軟件方式實(shí)現(xiàn)。

最初，以太網(wǎng)并非專門針對(duì)汽車環(huán)境而設(shè)計(jì)，缺乏電磁兼容性(EMC)和低能效等特性。此外，傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用兩對(duì)或四對(duì)導(dǎo)線的屏蔽電纜，這與減輕重量的目標(biāo)相悖。為滿足汽車通信鏈路的所有需求，汽車行業(yè)對(duì)單條雙絞線電纜解決方案進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，這推動(dòng)了新型PHY技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

基于此，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)支持不同數(shù)據(jù)速率，以滿足ECU互連的需求。此外，由更簡(jiǎn)單的設(shè)備——交換機(jī)，來(lái)處理不同速度等級(jí)之間的通信轉(zhuǎn)換，從而減少了對(duì)昂貴網(wǎng)關(guān)的需求。

分區(qū)架構(gòu)雖然為各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了廣闊的平臺(tái)，但仍然存在一些挑戰(zhàn)，例如如何適應(yīng)同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、縮短引導(dǎo)啟動(dòng)時(shí)間、降低延遲以及提高數(shù)據(jù)吞吐量。大約90%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以最高10 Mbps的速率運(yùn)行，許多過(guò)去的汽車網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求4。這些限制阻礙了先進(jìn)車載系統(tǒng)的順利集成。因此，汽車行業(yè)迫切需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案，以確?？焖夙憫?yīng)時(shí)間并提升整體性能。

10BASE-T1S的有效實(shí)施

將以太網(wǎng)擴(kuò)展到邊緣節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)便擁有了一個(gè)穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包傳輸變得更加簡(jiǎn)單。10BASE-T1S是IEEE 802.3-2022系列以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，OEM已開(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)盟制定了規(guī)范來(lái)補(bǔ)充IEEE標(biāo)準(zhǔn)，旨在鼓勵(lì)汽車行業(yè)廣泛采用以太網(wǎng)。與其他汽車鏈路技術(shù)一樣，10BASE-T1S支持多點(diǎn)模式配置。為了避免總線沖突，10BASE-T1S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，采用了一種新型總線訪問(wèn)技術(shù)，即物理層沖突避免(PLCA)。PLCA能夠?qū)⒀舆t控制在可預(yù)測(cè)的范圍內(nèi)，同時(shí)有效提高吞吐量和網(wǎng)絡(luò)效率。

圖2.分區(qū)架構(gòu)示例

在一些常見(jiàn)的系統(tǒng)關(guān)鍵型應(yīng)用中使用10BASE-T1S，可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性，從而更快速、更高效地傳輸車輛內(nèi)部的數(shù)據(jù)。由此帶來(lái)的更多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)包括：降低成本，增強(qiáng)安全性，無(wú)需復(fù)雜網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一通信機(jī)制，以及通過(guò)數(shù)據(jù)線供電的可選功能。這些優(yōu)勢(shì)共同確保了10BASE-T1S能夠順利集成到即將推出的下一代軟件定義汽車。

ADI公司的AD330x 10BASE-T1S器件符合IEEE 802.3-2022標(biāo)準(zhǔn)。AD330x 10BASE-T1S以太網(wǎng)-邊緣總線(E2B)遠(yuǎn)程控制協(xié)議(RCP)器件專門為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)模式而設(shè)計(jì)，無(wú)需本地微控制器便能工作，自身便是完整的硬件解決方案，無(wú)需在邊緣節(jié)點(diǎn)部署軟件。基于以太網(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，在中央ECU與傳感器或執(zhí)行器之間建立起高效的通信通道。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)，從而可以縮短測(cè)試和開(kāi)發(fā)時(shí)間，最終降低系統(tǒng)成本。ADI E2B收發(fā)器支持眾多功能，包括IEEE 802.1AS、OPEN聯(lián)盟TC10/TC14 10BASE-T1S睡眠/喚醒、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)（用來(lái)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。

結(jié)論

從現(xiàn)有基于汽車域的設(shè)計(jì)到分區(qū)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著汽車工業(yè)的一次重大進(jìn)步。分區(qū)架構(gòu)提供了更高的靈活性和可擴(kuò)展性，能夠集中管理軟件、大幅減少車內(nèi)布線，從而減輕車身重量、提高燃油效率，同時(shí)保持成本優(yōu)勢(shì)。與多種技術(shù)混用相比，在整車范圍內(nèi)統(tǒng)一實(shí)施以太網(wǎng)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。10BASE-T1S的引入將汽車以太網(wǎng)擴(kuò)展到車輛邊緣，有效減少了對(duì)昂貴網(wǎng)關(guān)的需求。

ADI公司的10BASE-T1S產(chǎn)品旨在連接邊緣節(jié)點(diǎn)，而E2B技術(shù)使純硬件節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)一步降低物料(BOM)成本，進(jìn)而也大幅縮短了測(cè)試和開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間。決策者需要充分了解相關(guān)的優(yōu)勢(shì)、潛在的成本節(jié)約以及對(duì)生產(chǎn)可持續(xù)性的貢獻(xiàn)。采用10BASE-T1S的分區(qū)E/E架構(gòu)，將為下一代車輛網(wǎng)絡(luò)提供可擴(kuò)展的軟件平臺(tái)方案，推動(dòng)車輛網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得更大進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

1CARIAD LinkedIn post。2021年。

2Rob Margeit。“Opinion:There’s Too Much Technology in Today’s New Cars”。Drive，2023年11月。

3“Automotive Ethernet:An Overview”。Ixia，2014年5月。

4Eunmin Choi、Hoseung Song、Suwon Kanh、Ji-Woong Choi?！癏igh-Speed, Low-Latency In-Vehicle Network Based on the Bus Topology for Autonomous Vehicles: Automotive Networking and Applications”。《IEEE車輛技術(shù)雜志》，第17卷第1期，2022年3月。