隨著軟件定義汽車加速落地,高效、精簡、適配車載場景的通信技術成為行業核心訴求。10BASE-T1S 作為專為車載與工業場景打造的以太網技術,為破解車載網絡瓶頸統一提供了關鍵方案。

本系列將分兩篇為您深度拆解安森美(onsemi)最新的 10BASE-T1S 技術白皮書。本文為第一篇,將聚焦架構演進與 10BASE-T1S 的核心價值。

區域控制架構

如今的汽車均需搭載精密復雜的電子通信網絡。與辦公場景中網線可隱匿于地毯之下、接口線纜便于手持布設不同,車載網絡 (IVN) 的部署會受到更多物理條件的制約。

區域控制架構是工程師在物理空間極為受限的環境下實現電子器件間通信以支持大量并發電子功能的技術方案。各個電子功能會依據其在車內的相對鄰近程度進行分組。

圖 1:經優化的區域控制架構圖

圖 1 展示了現代汽車中的區域網絡架構。在傳統的域架構中,車輛各項功能均配備獨立的電子控制單元 (ECU),整車 ECU 數量多達 85-100 個;而區域控制架構可將 ECU 數量大幅縮減至 20 個左右。

激光雷達成像、車道偏離影像、防撞系統及先進駕駛輔助系統 (ADAS) 等需要更高帶寬的功能,由中央區域控制器統一協調。ADAS 通過邊緣傳感器采集的數據,實現車道偏離預警、防撞、盲區監測及泊車輔助等功能。從網絡主干向邊緣節點延伸,在越靠近網絡邊緣的區域控制器處,應用所需的帶寬就越少。通過這種方式對功能進行聚類,低帶寬功能(例如門鎖傳感器)就不會對高帶寬功能(例如視頻圖像處理)造成瓶頸。在區域控制架構問世之前,這類瓶頸問題一直是行業內的重要技術難題。

圖 2:經典的辦公室間以太網星型拓撲結構 [圖表由 Umapathy 提供,遵循 Creative Commons 3.0 許可協議]

為保障效率,網絡應盡可能采用端到端統一協議,避免因不同協議之間的轉換而顯著增加成本與復雜度。汽車整車廠商 (OEM) 一致認為:以太網是實現車載網絡協議統一的理想選擇。

以太網最初面向辦公設備共享場景設計,后續演進為圖 2 所示的星型拓撲點對點通信模式;因此,需對以太網標準進行適當補充,以適配車載網絡的需求。若將網絡中所有設備均連接至同一個中央交換機,會導致線纜數量過多,進而增加整車重量。

圖 3:基本的 CAN 多點總線配置,兩端各連接一個 120 Ω 電阻 [圖表由 Stefan-Xp 提供,遵循 Creative Commons 3.0 許可協議]

控制器局域網 (CAN) 之所以長期成為車載網絡的主流協議,核心優勢在于其高性價比及如圖 3 所示的多點總線拓撲結構。采用 CAN 協議時,工程師無需將各邊緣器件逐一連接至中央交換機,而是可將一組器件(即傳統架構中的“域”)掛載在同一條“共用線路”上實現通信。

然而,將邊緣的 CAN 與以太網骨干網連接起來,會增加網絡的整體復雜度,“CAN + 以太網”的模式需要增設網關、交換機與連接器等硬件。

圖 4:三臺設備共享一條公共總線的 10BASE-T1S 配置,通過雙絞線連接器同時傳輸電力與網絡信號。

10BASE-T1S 是 10BASE 以太網標準的現代化版本,專為滿足車載及工業場景的聯網需求而擴展。如圖 4 所示,10BASE-T1S 節點可通過單對雙絞線以多點總線形式實現共享通信,既無需部署以太網交換機,也可徹底省去大體積的以太網/CAN 網關。

圖 5:10BASE-T1S 控制器的三種器件配置選項及其連接方式

基于 10BASE-T1S 的網絡中,每個網絡節點均包含主機(通常為 MCU)和某種形式的以太網收發器或控制器。如圖 5 所示,10BASE-T1S 控制器的功能分配可通過三種方案實現,對應其三大核心功能類別。

媒體訪問控制 (MAC)是實現 OSI 模型第 2 層(數據鏈路層)功能的數字邏輯,負責幀格式、尋址和媒體訪問規則,保障以太網通信正常運行。

物理層器件 (PHY) 是實現以太網 OSI 模型第 1 層的組件,負責將 MAC 輸出的數字數據轉換為物理介質上的電信號或光信號,反之亦然。

物理介質相關 (PMD) 子層直接與物理傳輸介質對接,在 10BASE-T1S 網絡中為單對布線。它位于物理層的最底層,負責完成數字符號到線路實際信號轉換所需的各種模擬與電氣處理。

在 10BASE-T1S 網絡中,工程師通常根據成本與功能的綜合權衡,選用最契合需求的 MCU。依據 MCU 中以太網相關功能的可用性,可選擇如圖 5 所示的三種收發器解決方案之一。若選用已集成 MAC 及 PHY 數字功能(PCS 與 PMA)的 MCU,只需搭配圖 5 最右側方案中的 PMD 收發器,即可構成完整解決方案。由于微控制器普遍采用小特征尺寸工藝制造,將以太網數字器件集成于 MCU 內部,有利于降低成本。此外,該方案需要的引腳數最少,僅需 3 個引腳即可將 PMD 與微控制器連接。

若采用集成了以太網 MAC 功能的現成器件,則可優先選用圖中的中間方案。此類器件支持符合 IEEE802.3 標準的媒體獨立接口 (MII),物理層器件可通過相同的 MII 與上層 (MAC) 進行通信。雖然這種解決方案最多需要 18 個引腳,是引腳數量最多的配置,但仍可借助現成器件的成本優勢實現整體方案降本。

若所選的 MCU 未集成任何以太網功能,則可采用圖 5 最左側的 MAC-PHY 一體化器件來提供構建完整以太網節點所需的全部功能。為了方便使用,此類 MAC-PHY 采用標準化的 5 引腳 SPI 接口,可兼容市面上許多低成本的 MCU。MCU 只需支持 SPI 接口即可確保運行頻率不低于 15 MHz,另外需要一個 GPIO 作為 MAC-PHY 器件的中斷信號源。

10BASE-T1S 支持上述所有方案,便于工程師根據設計目標,靈活選擇最優的網絡連接實現方式。

未完待續,下一篇推文將解鎖安森美 10BASE-T1S 芯片的硬核黑科技,深度拆解它的獨家技術特性與超強功能優勢。