在當代汽車內(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速度，汽車網(wǎng)絡協(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計的全新數(shù)據(jù)密集型功能，汽車網(wǎng)絡基礎設施所需的帶寬出現(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(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，原來預計這些技術會彌補一些不足，但實際上并沒有達到市場最初預期的效果。

與此同時，汽車制造商及其一級供應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)絡布局。新技術應該能夠支持更快的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲，還應該能夠減少相關的電纜布線，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，新技術應該具備更高程度的操作安全性，能夠防止?jié)撛诘木W(wǎng)絡攻擊，這些網(wǎng)絡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)絡基礎設施，汽車行業(yè)已經(jīng)將以太網(wǎng)技術視為能夠滿足數(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)議通常應用在企業(yè)和工業(yè)等領域，在組件、軟件、工具等方面具有可以重復利用的大量資源。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，其目標是將基于以太網(wǎng)的通信作為未來汽車網(wǎng)絡的基礎，并鼓勵實施IEEE定義的汽車相關標準。

應用于汽車領域的以太網(wǎng)技術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。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，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)絡中的PHY還需要支持低功耗模式。當發(fā)動機關閉時，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)絡上有活動后才喚醒系統(tǒng)。當代以太網(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，相應的以太網(wǎng)標準已在開發(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)楫斚碌臉藴驶M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標準，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)化用于當代汽車網(wǎng)絡設計，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。

結論

為了滿足汽車網(wǎng)絡基礎設施不斷增長的數(shù)據(jù)量需求，顯然需要更高性能的標準化接口和通信協(xié)議。隨著汽車系統(tǒng)的規(guī)模和復雜程度不斷增大，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，同時降低相關的成本。人們普遍認為，以太網(wǎng)技術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，同時也具有應用于汽車領域所必需的特性，并在未來能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率。