新的 IEEE 汽車以太網(wǎng)標準不斷涌現(xiàn)，的標準之一是 10BASE-T1S 以太網(wǎng)。本文討論了汽車行業(yè)的趨勢，這些趨勢決定了車輛電氣/電子 (E/E) 架構(gòu)的變化，以及新的 10BASE-T1S 標準如何支持和實現(xiàn)這一新架構(gòu)的推出。
    汽車工業(yè)目前正在經(jīng)歷其革命性的時期之一。汽車制造商需要針對幾個重要的大趨勢快速提供解決方案，例如個性化、電氣化、自主性和完全連接。原始設(shè)備制造商將需要從根本上修改他們的 E/E 架構(gòu)以支持新功能。雖然這場革命帶來了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但它也為原始設(shè)備制造商提供了一個機會，讓他們考慮將 E/E 架構(gòu)從基于領(lǐng)域的解決方案中轉(zhuǎn)移出來，這些解決方案已經(jīng)因平臺代代相傳的不斷添加而變得笨拙。通過這一重大的架構(gòu)變化，原始設(shè)備制造商可以專注于實現(xiàn)卓越的技術(shù)解決方案，同時還可以通過車輛個性化、服務(wù)銷售和無線 (OTA) 升級等功能增加新的售后收入流。

    區(qū)域架構(gòu)通過物理位置而不是功能來確定連接性，就像基于域的架構(gòu)一樣。這一變化顯著減少了車輛中電子控制單元 (ECU) 的數(shù)量，并減少了長達 1 km 1的線束布線。其次，它解耦硬件和軟件，提供面向服務(wù)的架構(gòu) (SOA)。許多原始設(shè)備制造商都在大力投資以實現(xiàn)內(nèi)部軟件所有權(quán)，目的是提供一種端到端的解決方案來簡化平臺的集成并提供更多的跨功能能力。2個這種可擴展的軟件平臺方法將限度地減少變體，為新的收入來源創(chuàng)造機會，從而減少長期的研發(fā)投資，并縮短開發(fā)時間，同時支持多條汽車生產(chǎn)線。

    這些革命性的架構(gòu)變化帶來了許多挑戰(zhàn)，并導(dǎo)致許多原始設(shè)備制造商重組其整個組織，從擁有所有權(quán)的個人團體轉(zhuǎn)向僅提供特定領(lǐng)域的功能，并轉(zhuǎn)向更加集成的跨職能組織。
    汽車正迅速成為以太網(wǎng)設(shè)備的主要消費者，在車輛中廣泛推出以太網(wǎng)被視為成功引入這些新架構(gòu)的關(guān)鍵支柱之一。以太網(wǎng)帶來了所需的可擴展性，支持多種速度等級，是一種經(jīng)過驗證的穩(wěn)健傳輸介質(zhì)，支持基于服務(wù)的架構(gòu)，并具有完全開發(fā)的安全和保障構(gòu)建塊。以太網(wǎng)具有明確定義且易于理解的 OSI 模型，可以更輕松地管理整個汽車網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

    圖 1. 汽車區(qū)域架構(gòu)。（ Devices）

    汽車的獨特之處
    雖然其他行業(yè)可以利用許多基本的以太網(wǎng)概念，但汽車 E/E 架構(gòu)有一些獨特的要求，這些要求決定了對新技術(shù)開發(fā)的需求。汽車的一個重點是減輕車輛的重量，這直接影響車輛的續(xù)航里程。今天使用的線束是車輛中重的三個子系統(tǒng)之一（重達 60 公斤）。3個傳統(tǒng)的以太網(wǎng)電纜使用四個差分對進行數(shù)據(jù)傳輸，增加了重量和路由復(fù)雜性，這對于汽車應(yīng)用來說并不是選擇。為了解決這個問題，開發(fā)了新的 IEEE 標準以支持通過單雙絞線電纜進行以太網(wǎng)傳輸，再加上區(qū)域架構(gòu)減少的線束長度，可以顯著節(jié)省電纜并減輕重量。
    是什么推動了對 10BASE-T1S 的需求？
    隨著基于區(qū)域的架構(gòu)概念的發(fā)展，很明顯，需要以太網(wǎng)一直連接到邊緣傳感器和執(zhí)行器，才能充分利用這種新架構(gòu)的優(yōu)勢。FlexRay 和 CAN 等現(xiàn)有的傳統(tǒng)連接技術(shù)需要通常在網(wǎng)關(guān)中實施的協(xié)議轉(zhuǎn)換，這會增加成本、復(fù)雜性和延遲。現(xiàn)有的汽車以太網(wǎng)技術(shù)（如 100BASE-T1）無法滿足支持將邊緣連接應(yīng)用過渡到以太網(wǎng)的系統(tǒng)成本，因為該技術(shù)需要使用點對點交換連接。結(jié)果是 IEEE 呼吁對這個問題提供解決方案。一些關(guān)鍵要求包括：
    比現(xiàn)有技術(shù)更快的通信；例如，CAN(FD)
    替代傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如 FlexRay
    用于 ECU 的 100BASE-T1 替代方案，其中 100BASE-T1 不具有成本效益和能效
    支持簡單和冗余傳感器網(wǎng)絡(luò)連接的能力
    什么是 10BASE-T1S？
    10BASE-T1S 規(guī)范是作為 IEEE 802.3cg 標準的一部分制定的，該標準于 2020 年 2 月發(fā)布。10BASE-T1S 提供了汽車以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中缺失的一環(huán)，實現(xiàn)了真正的以太網(wǎng)到邊緣連接并滿足了需求帶狀建筑。
    10BASE-T1S 與其他汽車以太網(wǎng)技術(shù)不同的一個令人興奮的獨特方面是支持多點拓撲，所有節(jié)點都通過同一根非屏蔽雙絞線電纜連接。這種總線實現(xiàn)提供了一個優(yōu)化的 BOM，每個節(jié)點只需要一個以太網(wǎng) PHY，不再需要與其他以太網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的交換機或星形拓撲實現(xiàn)。該標準規(guī)定至少必須支持八個節(jié)點（可以支持更多節(jié)點），并且總線長度必須達到 25 m。

 

    圖 2. 10BASE-T1S 總線拓撲。（ Devices）
    該標準的另一個新方面是物理層沖突避免 (PLCA)，顧名思義，它避免了共享網(wǎng)絡(luò)上的沖突。這種實現(xiàn)確保了確定性的延遲，主要由網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)量和要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量決定。每個節(jié)點都被分配了一個傳輸機會。如果一個節(jié)點當時沒有數(shù)據(jù)要傳輸，它會將傳輸機會交給下一個節(jié)點，從而支持對可用的 10 Mbps 的非常高的利用率。
    考慮到它是一個交流耦合系統(tǒng)，也可以通過 10BASE-T1S 網(wǎng)絡(luò)供電。這進一步節(jié)省了電纜，減小了連接器尺寸，并由于降低了電纜和連接器的復(fù)雜性而提高了可靠性。數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 的標準化——已經(jīng)可用于點對點實施——作為 IEEE 標準增強的一部分正在進行，以支持多點拓撲。
    10BASE-T1S 在汽車中的應(yīng)用廣泛且多種多樣，涉及車身領(lǐng)域、舒適性、信息娛樂和 ADAS 等多種功能的許多傳感器和執(zhí)行器正在討論中。
    結(jié)論
    汽車 E/E 架構(gòu)正在發(fā)生革命性的變化。向區(qū)域 E/E 架構(gòu)的過渡迫在眉睫。10BASE-T1S 提供了缺失的鏈路來支持這種具有優(yōu)化的以太網(wǎng)到邊緣連接的過渡。此次推出仍有障礙需要克服，例如人們認為以太網(wǎng)連接會增加組件成本和模塊實施的復(fù)雜性。10BASE-T1S 通過降低系統(tǒng)成本和支持不同類型信號鏈分區(qū)的多種產(chǎn)品選項直接解決了這些問題。Analog Devices 通過積極參與標準化活動和密切的 OEM 合作來積極推動 10BASE-T1S 的推出，以確保他們的系統(tǒng)要求得到滿足。