在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，汽車行業(yè)正經(jīng)歷著一場意義深遠的變革?，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、娛樂性與智能化于一體的移動空間。為了實現(xiàn)諸如車對車通信、增強現(xiàn)實儀表盤和自動駕駛等先進功能，車輛對電子控制單元(ECU)的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。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)日益增長的復(fù)雜需求。于是，以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，為革新汽車空間、塑造完全互聯(lián)的智能體驗帶來了新的曙光。

汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革

在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計中，車輛的 ECU 按照功能被劃分為多個幾乎獨立的域，像動力總成、底盤、信息娛樂系統(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，連接著各個功能域的 ECU。這種設(shè)計雖然在一定時期內(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 和高性能計算單元之間通過高速點對點鏈路進行通信。據(jù)大眾汽車集團的子公司 CARIAD 表示，這種架構(gòu)能夠減少二十多個 ECU，并且使總長度超過一公里的線束得以精簡。

隨著前沿科技持續(xù)推動汽車設(shè)計和性能的革新，汽車產(chǎn)業(yè)正處于車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。預(yù)計到 2030 年，車對車通信、自動駕駛等技術(shù)的廣泛應(yīng)用將推動汽車電子設(shè)備的使用量增長高達 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，節(jié)點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)具備更強的可擴展性，在添加新功能和系統(tǒng)時，無需對車輛進行大規(guī)模改動。同時，借助車輛的中央計算單元，無線軟件升級變得更加高效，汽車制造商(OEM)能夠遠程增強車輛功能，如為客戶提供定制服務(wù)，以及對先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動駕駛系統(tǒng)、舒適性配置和信息娛樂系統(tǒng)等進行升級和改進。

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)在面對新架構(gòu)的需求時，暴露出諸多性能短板。例如，在吞吐量方面，無法滿足大量數(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，成為了先進車載系統(tǒng)集成的阻礙。

而以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已成為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的有力武器。以太網(wǎng)技術(shù)始終緊跟對更高數(shù)據(jù)速率的需求，不斷演進。其主要發(fā)展方式是開發(fā)新的物理層(PHY)，通過這種方式，在提升數(shù)據(jù)速率的同時，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現(xiàn)不同的速度等級。并且，網(wǎng)絡(luò)特性主要由較高協(xié)議層以軟件方式實現(xiàn)，這為其在不同場景下的應(yīng)用提供了極大的靈活性。

不過，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;而且傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用兩對或四對導(dǎo)線的屏蔽電纜，這無疑增加了車身重量，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)開始對單條雙絞線電纜解決方案進行標(biāo)準(zhǔn)化，這一舉措有力地推動了新型 PHY 技術(shù)的開發(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，通過更簡單的設(shè)備 —— 交換機，就能處理不同速度等級之間的通信轉(zhuǎn)換，大大減少了對昂貴網(wǎng)關(guān)的依賴。

10BASE-T1S 以太網(wǎng)的特性與優(yōu)勢

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 開始實施這項以太網(wǎng) PHY 技術(shù)，相關(guān)車輛計劃在 2025 年前上路行駛。OPEN(單對以太網(wǎng))聯(lián)盟還制定了規(guī)范來補充 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，進一步推動汽車行業(yè)對以太網(wǎng)的廣泛采用。

10BASE-T1S 具有獨特的多點模式配置，與其他汽車鏈路技術(shù)有所不同。為了避免總線沖突，它在帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取(CSMA/CD)機制之上，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)測的范圍內(nèi)，同時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，實現(xiàn)車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)更快速、高效的傳輸。它還帶來了一系列其他優(yōu)勢：在成本方面，減少了對昂貴網(wǎng)關(guān)的需求，降低了硬件成本;在安全性上，進一步保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?通信機制上，提供了無需復(fù)雜網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一通信機制，使得車輛內(nèi)部通信更加順暢;功能拓展上，具備通過數(shù)據(jù)線供電的可選功能，為車輛的功能設(shè)計提供了更多可能性。這些優(yōu)勢使得 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)遠程控制協(xié)議(RCP)器件專為遠程節(jié)點模式設(shè)計，無需本地微控制器即可獨立工作，自身構(gòu)成了完整的硬件解決方案，無需在邊緣節(jié)點部署軟件。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，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)，從而大大縮短了測試和開發(fā)時間，最終實現(xiàn)系統(tǒng)成本的降低。ADI E2B 收發(fā)器還支持眾多實用功能，包括 IEEE 802.1AS、OPEN 聯(lián)盟 TC10/TC14 10BASE-T1S 睡眠 / 喚醒、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)(用于實現(xiàn)整車時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 對汽車分區(qū)架構(gòu)的簡化作用

從現(xiàn)有基于汽車域的設(shè)計向分區(qū)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，是汽車工業(yè)發(fā)展的重大進步。分區(qū)架構(gòu)在靈活性和可擴展性方面具有顯著優(yōu)勢，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，同時還能保持成本優(yōu)勢。在整車范圍內(nèi)統(tǒng)一實施以太網(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)成功擴展到車輛邊緣，進一步簡化了汽車的網(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，無需復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。例如，在車身領(lǐng)域、舒適性、信息娛樂以及 ADAS 系統(tǒng)等多個功能應(yīng)用中，多種傳感器和驅(qū)動器都可以通過 10BASE-T1S 以太網(wǎng)實現(xiàn)高效連接。在實際應(yīng)用中，像車輛的門鎖系統(tǒng)、氛圍燈、LED 燈光系統(tǒng)以及雷達等邊緣節(jié)點，都能夠借助 10BASE-T1S 以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和控制。

此外，10BASE-T1S 以太網(wǎng)支持多點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點都通過同一對非屏蔽雙絞線連接。這種獨特的總線配置優(yōu)化了物料清單(BOM)，每個節(jié)點僅需部署一個以太網(wǎng) PHY，無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 個節(jié)點(實際可支持更多節(jié)點)，總線長度可達 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)憑借其獨特的技術(shù)特性和優(yōu)勢，在簡化汽車應(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)帶來了更高效、更可靠、更具成本效益的網(wǎng)絡(luò)解決方案，推動著汽車向智能化、互聯(lián)化的方向不斷邁進。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)實現(xiàn)更大的技術(shù)突破和創(chuàng)新發(fā)展。