今天的汽車正迅速成為車輪上的數(shù)據(jù)中心。

碰撞檢測(cè)、車道偏離預(yù)警和自動(dòng)駕駛等功能已經(jīng)或者即將進(jìn)入市場(chǎng)。這些出色的安全特性需要車輛具備強(qiáng)大的安全數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信和存儲(chǔ)能力。一個(gè)典型的例子就是后視或環(huán)視攝像頭系統(tǒng)等高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS），它們就需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量。

汽車技術(shù)下一步發(fā)展的行業(yè)口號(hào)是“更大帶寬”，以太網(wǎng)/車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）就可以實(shí)現(xiàn)這種能力，它可以通過(guò)車輛中無(wú)處不在的物理網(wǎng)絡(luò)提供高速通信主干。那么，我們要如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？

接

下來(lái)，我們將探討各種單對(duì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并解釋它們?nèi)绾螀f(xié)同工作，為攝像頭視頻、GPS、關(guān)鍵安全系統(tǒng)等各種應(yīng)用構(gòu)建優(yōu)化的車載通信網(wǎng)絡(luò)。

單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）

圖1：?jiǎn)螌?duì)以太網(wǎng)，每對(duì)雙絞線的傳輸速率為100MBit/s或1GBit/s 具備雙向傳輸能力。（圖源：貿(mào)澤電子）

全球大多數(shù)以太網(wǎng)電纜以傳統(tǒng)的以太網(wǎng)布線方式作為標(biāo)準(zhǔn)，使用兩對(duì)線纜來(lái)傳輸數(shù)據(jù)；而車載以太網(wǎng)采用的是單對(duì)、雙向、雙絞、非屏蔽的布線方式，并通過(guò)數(shù)據(jù)線供電（PoDL）技術(shù)，在傳感器和云端之間實(shí)現(xiàn)并行、高性能的數(shù)據(jù)和電力傳輸。

這項(xiàng)技術(shù)可以讓電纜的重量更輕、成本更低，并可以減少車輛內(nèi)部空間占用，從而提升燃油效率、簡(jiǎn)化安裝過(guò)程。

單對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)基于多項(xiàng)IEEE標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEEE 802.3bw和802.3bp是首批相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)100BASE-T1和1000BASE-T1技術(shù)，能夠支持100Mbps/15m和1Gbps/40m的速度和距離限制。這些基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)可以輕松滿足未來(lái)汽車的需求。

這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正推動(dòng)諸多車載創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展，例如車內(nèi)通信、測(cè)量與校準(zhǔn)、通過(guò)DoIP進(jìn)行診斷，以及電動(dòng)汽車與充電樁之間的通信等。以太網(wǎng)為車輛提供了靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，同時(shí)也非常適合車輛中的特定安全解決方案。此外，以太網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)上也具有安全性。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)

以太網(wǎng)技術(shù)可用于車內(nèi)通信、測(cè)量與校準(zhǔn)，以及通過(guò)DoIP進(jìn)行診斷。DoIP通過(guò)將診斷信息封裝在以太網(wǎng)幀中，實(shí)現(xiàn)診斷測(cè)試儀與車輛間通信。使用DoIP訪問(wèn)車輛時(shí)，可通過(guò)現(xiàn)有診斷連接器的可自由分配引腳實(shí)現(xiàn)向后兼容。DoIP能夠輕松集成到各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，甚至包括WLAN。

車載以太網(wǎng)是一種不同于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，并且要求更高的技術(shù)。所有車規(guī)級(jí)以太網(wǎng)產(chǎn)品都需要通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證，并且要支持汽車行業(yè)的生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（PPAP）。

車載以太網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的一個(gè)主要區(qū)別，在于汽車應(yīng)用中的EMC和溫度環(huán)境要嚴(yán)苛得多。此外，車載技術(shù)還需要更高的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）以確保更高的可靠性?？芍貜?fù)性/更高的MTBF和可預(yù)測(cè)性對(duì)于汽車安全至關(guān)重要，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障，便可能導(dǎo)致人員傷亡，因而車載應(yīng)用必須符合安全/ASIL（ISO26262）標(biāo)準(zhǔn)。

在某些車載以太網(wǎng)應(yīng)用中，硬件認(rèn)證是必需的。車輛傳動(dòng)系統(tǒng)通常需要更低的延遲，以便在公路和道路行駛中實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)。此外，電子控制單元（ECU）的硬件和軟件也必須進(jìn)行驗(yàn)證。一輛普通的汽車內(nèi)會(huì)安裝100多個(gè)ECU，用于控制制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器（傳動(dòng)系統(tǒng)）、轉(zhuǎn)向、攝像頭、無(wú)線通信等各個(gè)方面。

圖3：車載16位微控制器（圖源：貿(mào)澤電子）

這些器件設(shè)計(jì)用于極端工作條件，即使在極端溫度下也能提供實(shí)時(shí)響應(yīng)和高可靠性。

當(dāng)今車載技術(shù)

一輛普通的汽車內(nèi)會(huì)安裝多種通信系統(tǒng)，包括CAN、LIN和FlexRay等。這些系統(tǒng)將在汽車中繼續(xù)存在一段時(shí)間。不過(guò)，以太網(wǎng)才是車載網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)，尤其是單對(duì)以太網(wǎng)，它可以在一條鏈路上傳輸比當(dāng)前CAN總線快100倍的數(shù)據(jù)。

根據(jù)IEEE的規(guī)定，到2020年底，所有主要原始設(shè)備制造商（OEM）都應(yīng)在量產(chǎn)車型中采用100BASE-T1規(guī)范，通過(guò)非屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而取代大多數(shù)其他車載通信系統(tǒng)，并有助于降低車輛成本。

100BASE-T1于2013年首次應(yīng)用于量產(chǎn)車型，并于2015年通過(guò)IEEE 802.3bw《IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂案1：?jiǎn)螌?duì)平衡雙絞線電纜100Mb/s傳輸?shù)奈锢韺右?guī)范和管理參數(shù)（100BASE-T1）》實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。LAN8770就是一款符合100BASE-T1規(guī)范的以太網(wǎng)PHY收發(fā)器。（請(qǐng)參閱以太網(wǎng)評(píng)估板EVB-LAN8770-RMII?，這款插件卡可直接連接到匹配的Microchip主機(jī)處理器或控制器板。）

汽車從外部接收的信息越來(lái)越多，必須通過(guò)快速連接來(lái)為終端用戶處理這些數(shù)據(jù)。（來(lái)源：BlackBoxGuild - shutterstock.com）

下一代的1Gb/s技術(shù)如今也已應(yīng)用于汽車領(lǐng)域；1000BASE-T1（2016年，IEEE 802.3bp?《IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂案4：?jiǎn)螌?duì)雙絞線銅纜1Gb/s傳輸?shù)奈锢韺右?guī)范和管理參數(shù)》）和1000BASE-RH（2017年，IEEE 802.3bv?《IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂案9：塑料光纖1000Mb/s傳輸?shù)奈锢韺右?guī)范和管理參數(shù)》）已于2019年啟動(dòng)首次量產(chǎn)（SOP）活動(dòng)。

另外兩項(xiàng)新的IEEE標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范速度分別為10Mb/s（IEEE 802.3cg?）和2.5/5/10Gb/s（IEEE 802.3ch?），分別于2019年和2020年發(fā)布。10Gb/s以上的標(biāo)準(zhǔn)化工作（IEEE P802.3cy?和IEEE P802.3cz?）正在進(jìn)行中。

與車載以太網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)的通信技術(shù)

100Mb/s和1000Mb/s以太網(wǎng)解決了車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）技術(shù)在速度上的明顯差距。然而，車載以太網(wǎng)在各個(gè)新的速度等級(jí)中都面臨著更多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手：低速方面有FlexRay、各種CAN變體和A2B音頻總線，高速方面則有SerDes、USB和PCIe。通常，專用技術(shù)在初期會(huì)具備優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈冡槍?duì)特定用例和領(lǐng)域進(jìn)行了量身定制和成本優(yōu)化。2.5/5/10G Base-T1將在2025年應(yīng)用于ADAS和自動(dòng)駕駛汽車，每輛車平均配備100多個(gè)以太網(wǎng)端口。

為單一用途開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用于其他用途時(shí)，可能會(huì)迅速暴露出僵化、高成本的問(wèn)題。而像以太網(wǎng)這樣的全球標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，會(huì)在測(cè)試機(jī)構(gòu)、供應(yīng)商、智能工具、培訓(xùn)以及多樣化產(chǎn)品組合等構(gòu)成的認(rèn)證生態(tài)系統(tǒng)支持下不斷發(fā)展，這對(duì)于OEM在降低風(fēng)險(xiǎn)等方面至關(guān)重要。

車載以太網(wǎng)的前沿技術(shù)解決方案是怎樣的？

IEEE指出：“……車載以太網(wǎng)普及的進(jìn)展是顯而易見的?！比蚱囆袠I(yè)正在思考標(biāo)準(zhǔn)化車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）基礎(chǔ)和IEEE 802.3以太網(wǎng)以及P802.1DG的發(fā)展方向，這些話題已成為業(yè)界熱點(diǎn)。

所有主要OEM都承諾在量產(chǎn)車型中引入100BASE-T1規(guī)范，通過(guò)非屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)100Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率。全球汽車行業(yè)的決策者們需要共同解決汽車網(wǎng)絡(luò)通信這一難題。以太網(wǎng)很可能成為贏家，因?yàn)樗梢栽谒熊浖蛥f(xié)議棧層面提供理想的解決方案。

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