車載以太網(wǎng)挑戰(zhàn)CAN總線

隨著汽車智能化的發(fā)展，車載以太網(wǎng)成為先進(jìn)汽車電子架構(gòu)必不可缺的一部分，在中心節(jié)點(diǎn)，車載以太網(wǎng)已經(jīng)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，但在邊緣節(jié)點(diǎn)，CAN、CAN-FD和FlexRay等總線依然占據(jù)主要地位，特別是CAN。這使得汽車電子架構(gòu)難以達(dá)到真正的Zonal級(jí)別，只能停留在域控制器級(jí)別。要想軟件定義汽車或者說(shuō)服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，Zonal架構(gòu)都是必須要做到的。

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典型的Zonal架構(gòu)，就是服務(wù)器的概念，通過(guò)車載以太網(wǎng)骨干網(wǎng)，超級(jí)計(jì)算核（即服務(wù)器或高性能計(jì)算即HPC）處理所有節(jié)點(diǎn)的計(jì)算需求。汽車變成類似于PC的架構(gòu)，軟硬件徹底分離，硬件統(tǒng)一，絕大部分工作都是軟件，依靠LINUX等操作系統(tǒng)與自適應(yīng)AUTOSAR，硬件對(duì)程序員完全透明化。

目前有兩大領(lǐng)域，一個(gè)是傳感器領(lǐng)域，一個(gè)是執(zhí)行器領(lǐng)域，急需要車載以太網(wǎng)取代傳統(tǒng)的CAN總線，傳感器領(lǐng)域主要是超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)傳感器、用于緊急呼叫的麥克風(fēng)，最后還有用于動(dòng)力傳遞部分的位置、速度、壓力、溫度等傳感器。執(zhí)行器領(lǐng)域主要是燈光，包括前大燈，內(nèi)部燈，氛圍燈；揚(yáng)聲器，車門揚(yáng)聲器、超低音揚(yáng)聲器、緊急呼叫揚(yáng)聲器；最后是各種電機(jī)，包括車窗、各種鏡子、泵、雨刷等。

2020年3月，IEEE發(fā)布了802.3cg標(biāo)準(zhǔn)，即10 Mb/s Single Pair(10SPE)，不僅可以用于汽車，還有工控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)分兩個(gè)，一個(gè)為10BASE-T1L，用于樓宇自動(dòng)化和工控，最大距離1公里，全雙工，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。另一個(gè)是10BASE-T1S，用于汽車，最大距離25米。寶馬和通用已經(jīng)確認(rèn)將在下一代汽車中用10BASE-T1S取代CAN總線。

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10BASE-T1S只是物理層標(biāo)準(zhǔn)，鏈路層也有微小變化，其余無(wú)變化，對(duì)軟件工程師來(lái)說(shuō)完全透明，無(wú)需理會(huì)。

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上圖為今天最先進(jìn)智能車（當(dāng)然不是特斯拉）的電子架構(gòu)，談到電子架構(gòu)的先進(jìn)程度，奔馳、寶馬和通用都在特斯拉之上。特斯拉還在使用老舊的非車載級(jí)以太網(wǎng)。

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未來(lái)的汽車電子架構(gòu)，CAN與FlexRay都被以太網(wǎng)取代。這種車載以太網(wǎng)就是10BASE-T1S。

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目前先進(jìn)域控制器都是使用100BASE-T1或1000BASE-T1車載以太網(wǎng)，這種設(shè)計(jì)是性能至上，要想取代CAN，成本最關(guān)鍵。10BASE-T1S的出發(fā)點(diǎn)是三個(gè)，低成本、低功耗，低電磁輻射。這里的成本指整體成本，10BASE-T1S使用單對(duì)非屏蔽雙絞線，無(wú)論連接器、線纜成本都比CAN要低，線纜重量也要低大約50%。此外可以通過(guò)以太網(wǎng)供電，無(wú)需單獨(dú)供電線路。

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10BASE-T1S使用PLCA，即PhysicalLayer Collision Avoidance，物理層沖突避免。保證低延遲和高可靠性。其采用半雙工機(jī)制，通過(guò)一個(gè)BEACON按日程表每周期通訊（cyclic communication scheduled over a BEACON），BEACON是一個(gè)坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)規(guī)律發(fā)送的標(biāo)記，每發(fā)送一個(gè)BEACON，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù) After each transmitted BEACON, each station is granted a transmitopportunity (TO)。

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10BASE-T1S采用CSMA/CD，Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection 載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。但附加了PLCA，IEEE在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，附加PLCA后，帶寬利用效率最高。

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附加PLCA后延遲也大大低于傳統(tǒng)的CSMA/CD，不會(huì)高于1毫秒。為避免兼容性問(wèn)題，PLCA是可選項(xiàng)，也可以不用，兼容一些比較老的MCU。

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10BASE-T1S的另一個(gè)特色是Multidrop mode，無(wú)需交換機(jī)或網(wǎng)關(guān)的加入即可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)。

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這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)里有一個(gè)稱之為協(xié)調(diào)者Coordinator，其他為Drop Node，不太嚴(yán)格地說(shuō)，協(xié)調(diào)者類似主，DropNode是從。

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10BASE-T1S可以兼容現(xiàn)在的TC6或TC14標(biāo)準(zhǔn)，但PCLA必須要802.3cg。

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軟件方面，2020年11月版的經(jīng)典AUTOSAR支持RMII/MII物理層，2021年11月版支持MACPHY。

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診斷、時(shí)鐘同步和安全方面的特色如上，未來(lái)還會(huì)加入睡眠喚醒和新拓?fù)浼軜?gòu)。

目前10BASE-T1S物理層芯片常見(jiàn)的只有Microchip的LAN8670/1/2，德州儀器和ADI正在開(kāi)發(fā)中，它們有針對(duì)工控和樓宇自動(dòng)化的10BASE-T1L物理層芯片。

LAN8670/1/2典型應(yīng)用圖

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LAN8670/1/2內(nèi)部框架圖

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10BASE-T1S暫時(shí)還無(wú)法撼動(dòng)CAN總線在汽車領(lǐng)域的地位，但是CAN-FD和FlexRay將受到10BASE-T1S的強(qiáng)力挑戰(zhàn)，拿下CAN-FD和FlexRay之后，10BASE-T1S會(huì)挑戰(zhàn)CAN，屆時(shí)車內(nèi)只會(huì)存在以太網(wǎng)和LIN兩種總線。