取代CAN总线，车载以太网10BASE-T1S能行吗？

1年前 (2024-11-04) 阅读数 192 #汽车

电动汽车正变得越来越复杂，车辆中的电子控制单元（ECU）数量已经多达150个左右，分布于车辆的各个部件中，控制关键的功能，如转向、制动、底盘和动力系统，以及信息娱乐、空调等舒适性功能。这些ECU之间通过车载网络（IVN）进行通信，确保车辆能够协同工作。

如今，传统的汽车总线已经无法匹配ECU的需求，同时，随着汽车E/E架构向着区域化迈进，也需要新的总线与之匹配。

今年，ADI和宝马集团宣布，将在汽车行业率先采用ADI的10BASE-T1S E²B（以太网-边缘总线）技术。车载以太网连接是推动汽车设计中采用新型分区架构的关键因素，支持软件定义汽车等发展大趋势。宝马集团将成为首批应用该技术的原始设备制造商(OEM)，在未来的智能座舱氛围照明系统中采用ADI的E²B技术。

安森美今年也展出了利用10BASE-T1S对汽车前灯实现精确控制的功能，通过ECU-Light架构实现区域控制，包括每个灯光功能都可以通过图形用户界面（GUI）进行控制，提供了高度灵活的头灯配置，这意味着汽车制造商可以设计出更加个性化和多样化的前灯系统，以满足不同车型和驾驶条件的需求。同时，LED驱动器的诊断信息可以定期读取，确保系统始终保持最佳性能。

IVN协议的演变：CAN、LIN和FlexRay的局限性

从20世纪90年代以来，汽车行业广泛采用了多种通信协议，主要包括CAN、CAN FD、LIN和FlexRay。这些协议通过菊花链的形式连接ECU，显著减少了电缆总长度和车辆的整体重量。在这些协议中，CAN、CAN FD和FlexRay使用非屏蔽的双绞线进行通信，而LIN则采用单根铜线，进一步减轻了重量。

然而，这些传统协议的传输速率较低，比如LIN最大支持20 kb/s，CAN为1 Mb/s，CAN FD为5 Mb/s，FlexRay则为10 Mb/s。尽管这些速率在过去满足了车辆的基本通信需求，但随着汽车电子化的不断深化，尤其是先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶技术的快速发展，这些协议的带宽和速度已经不能满足新的需求。

更重要的是，CAN本身其实是存在授权费的。根据博世的官网，前10000件CAN、CAN FD、TTCAN产品需要支付2500欧元的基本许可证费用，此外CAN XL还需要支付一次性的2500欧元；对于超过的数量产品，按照净销售额的1%收取专利费（有一定上限）。所以，不收费的以太网就成了大家眼中很好的方案。

ADAS和区域化电子架构的需求

ADAS功能的复杂性，如车道保持辅助、自动紧急制动和自适应巡航控制，要求系统处理大量传感器数据，并进行实时分析。为了支持这些高带宽的需求，汽车以太网逐渐成为首选。P2P（点对点）单对以太网（SPE）技术可以通过高达千兆比特的传输速率，实现ECU之间的高速通信，并通过区域化的电子架构来简化车辆内部的网络结构。

在这种区域化的架构中，车辆被分成若干个功能区域，如前-左、前-右、后-左、后-右和中央区域。每个区域内的ECU可以通过汽车以太网的主干网连接。这种设计极大减少了线缆长度，提高了网络的传输效率，并使得不同区域内的设备能够更好地协调工作，尤其是在处理ADAS相关的高带宽数据时。

10BASE-T1S：面向下一代汽车网络的标准

为了应对这些新需求，2019年IEEE推出了802.3cg规范，其中包括10BASE-T1L（长距离）和10BASE-T1S（短距离）两种新型物理层标准。10BASE-T1S特别适用于汽车中的多点拓扑应用。它允许多个节点（至少8个）通过单对铜绞线连接，实现10 Mb/s的通信速率。这种多点总线结构不仅能够显著减少线缆和连接器的使用，还可以减少ECU的物理层设备（PHY）数量。例如，在一个8节点的局域网中，传统以太网需要16个PHY，而10BASE-T1S仅需要8个PHY，这一优化直接降低了车辆的布线复杂性和重量。

相比传统的P2P网络拓扑，10BASE-T1S的多点拓扑结构是其一大优势。它能够减少节点之间的连线，降低了线缆的整体重量，这对于电动汽车尤为重要，因为车辆的重量直接影响续航里程。电动汽车客户对车辆续航的期望不断提升，而10BASE-T1S通过减少线缆重量，直接帮助缓解这一焦虑。

物理层冲突避免机制（PLCA）

为了保证在多点拓扑中没有数据冲突，10BASE-T1S引入了物理层冲突避免机制（PLCA）。PLCA通过协调器节点（节点0）控制所有其他节点的通信。每个节点根据其物理层ID顺序获得通信机会，如果某节点没有数据要发送，它会将通信机会让给下一个节点。PLCA机制确保网络中不会发生冲突，并且能够有效利用网络带宽。

这种机制的优势在于其确定性，无论网络中的节点数量多少，或者数据包的大小如何，系统都能以确定的顺序进行通信，而不会受到随机冲突的影响。相比传统的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制，PLCA极大地提高了网络的效率，减少了通信延时，确保了高带宽的应用（如ADAS）能够顺利运行。

10BASE-T1S的功耗优势

10BASE-T1S的另一个优势是其功耗极低。与传统的CAN协议相比，10BASE-T1S使用的传输电压为1 VPP，可以在3.3V电源下工作，而CAN通常需要5V电源。这种低功耗设计非常适合电动汽车中的ECU，尤其是在系统要求功耗最低的情况下，10BASE-T1S为开发者提供了极具竞争力的解决方案。

10BASE-T1S的安全优势

此外，10BASE-T1S依赖于成熟的以太网技术，这为汽车网络提供了更强的网络安全保障。传统的车载网络协议如CAN和FlexRay并不具备内置的安全机制，而10BASE-T1S则能够直接利用以太网的安全特性，特别是在汽车电子中，网络安全正日益受到关注，尤其是在自动驾驶和联网汽车时代。

全车以太网将是未来

随着车辆电子化和智能化的发展，未来的汽车网络架构将逐渐向全以太网化过渡。10BASE-T1S的出现不仅填补了汽车IVN中低带宽设备的连接需求，还使得以太网可以覆盖到车辆的每个角落，包括那些使用低带宽通信的传感器和执行器。

通过统一的以太网标准，车辆内部可以实现从边缘设备到中央控制器的无缝数据传输，大大简化了不同网络协议之间的转换，减少了网关的使用，降低了系统的复杂性和成本。此外，10BASE-T1S可以与ADAS和车载信息娱乐系统紧密结合，为这些高带宽应用提供可靠的通信基础。

功能安全与10BASE-T1S的部署前景

10BASE-T1S的部署不仅仅在网络通信中表现出色，它还在功能安全和冗余设计方面具备优势。通过使用标准化的以太网技术，开发者能够更加轻松地集成功能安全系统，符合汽车行业的ISO 26262等功能安全标准。这种安全性对于处理涉及车辆安全的关键任务，特别是在自动驾驶车辆中，具有至关重要的意义。

此外，10BASE-T1S的低成本和低功耗使其在未来的车辆架构中成为理想的选择。特别是随着车辆架构逐渐向区域化和服务导向的架构过渡，10BASE-T1S能够有效支持这些新架构的发展。通过将区域内的传感器、执行器和控制单元连接到一个高效的以太网网络中，它不仅减少了物理层组件的数量，还显著提高了系统的整体响应速度和效率。

总结