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(yè)核心訴求。10BASE-T1S 作為專為車載與工業(yè)場景打造的以太網(wǎng)技術,為破解車載網(wǎng)絡瓶頸統(tǒng)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(qū)域控制架構

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

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

圖 1:經(jīng)優(yōu)化的區(qū)域控制架構圖

圖 1 展示了現(xiàn)代汽車中的區(qū)域網(wǎng)絡架構。在傳統(tǒng)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(shù)量多達 85-100 個;而區(qū)域控制架構可將 ECU 數(shù)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(tǒng)及先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 等需要更高帶寬的功能,由中央?yún)^(qū)域控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)。ADAS 通過邊緣傳感器采集的數(shù)據(jù),實現(xiàn)車道偏離預警、防撞、盲區(qū)監(jiān)測及泊車輔助等功能。從網(wǎng)絡主干向邊緣節(jié)點延伸,在越靠近網(wǎng)絡邊緣的區(qū)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(qū)域控制架構問世之前,這類瓶頸問題一直是行業(yè)內(nèi)的重要技術難題。

圖 2:經(jīng)典的辦公室間以太網(wǎng)星型拓撲結(jié)構 [圖表由 Umapathy 提供,遵循 Creative Commons 3.0 許可協(xié)議]

為保障效率,網(wǎng)絡應盡可能采用端到端統(tǒng)一協(xié)議,避免因不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)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(wǎng)是實現(xiàn)車載網(wǎng)絡協(xié)議統(tǒng)一的理想選擇。

以太網(wǎng)最初面向辦公設備共享場景設計,后續(xù)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(wǎng)標準進行適當補充,以適配車載網(wǎng)絡的需求。若將網(wǎng)絡中所有設備均連接至同一個中央交換機,會導致線纜數(shù)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(xié)議]

控制器局域網(wǎng) (CAN) 之所以長期成為車載網(wǎng)絡的主流協(xié)議,核心優(yōu)勢在于其高性價比及如圖 3 所示的多點總線拓撲結(jié)構。采用 CAN 協(xié)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(tǒng)架構中的“域”)掛載在同一條“共用線路”上實現(xiàn)通信。

然而,將邊緣的 CAN 與以太網(wǎng)骨干網(wǎng)連接起來,會增加網(wǎng)絡的整體復雜度,“CAN + 以太網(wǎng)”的模式需要增設網(wǎng)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(wǎng)絡信號。

10BASE-T1S 是 10BASE 以太網(wǎng)標準的現(xiàn)代化版本,專為滿足車載及工業(yè)場景的聯(lián)網(wǎng)需求而擴展。如圖 4 所示,10BASE-T1S 節(jié)點可通過單對雙絞線以多點總線形式實現(xiàn)共享通信,既無需部署以太網(wǎng)交換機,也可徹底省去大體積的以太網(wǎng)/CAN 網(wǎng)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(wǎng)絡中,每個網(wǎng)絡節(jié)點均包含主機(通常為 MCU)和某種形式的以太網(wǎng)收發(fā)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(xiàn),對應其三大核心功能類別。

媒體訪問控制 (MAC)是實現(xiàn) OSI 模型第 2 層(數(shù)據(jù)鏈路層)功能的數(shù)字邏輯,負責幀格式、尋址和媒體訪問規(guī)則,保障以太網(wǎng)通信正常運行。

物理層器件 (PHY) 是實現(xiàn)以太網(wǎng) OSI 模型第 1 層的組件,負責將 MAC 輸出的數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理介質(zhì)上的電信號或光信號,反之亦然。

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

在 10BASE-T1S 網(wǎng)絡中,工程師通常根據(jù)成本與功能的綜合權衡,選用最契合需求的 MCU。依據(jù) MCU 中以太網(wǎng)相關功能的可用性,可選擇如圖 5 所示的三種收發(fā)器解決方案之一。若選用已集成 MAC 及 PHY 數(shù)字功能(PCS 與 PMA)的 MCU,只需搭配圖 5 最右側(cè)方案中的 PMD 收發(fā)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(wǎng)數(shù)字器件集成于 MCU 內(nèi)部,有利于降低成本。此外,該方案需要的引腳數(shù)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(wǎng) MAC 功能的現(xiàn)成器件,則可優(yōu)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(shù)量最多的配置,但仍可借助現(xiàn)成器件的成本優(yōu)勢實現(xiàn)整體方案降本。

若所選的 MCU 未集成任何以太網(wǎng)功能,則可采用圖 5 最左側(cè)的 MAC-PHY 一體化器件來提供構建完整以太網(wǎng)節(jié)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(jù)設計目標,靈活選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡連接實現(xiàn)方式。

未完待續(xù),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(yōu)勢。