隨著軟件定義汽車(chē)加速落地，高效、精簡(jiǎn)、適配車(chē)載場(chǎng)景的通信技術(shù)成為行業(yè)核心訴求。10BASE-T1S 作為專為車(chē)載與工業(yè)場(chǎng)景打造的以太網(wǎng)技術(shù)，為破解車(chē)載網(wǎng)絡(luò)瓶頸統(tǒng)一提供了關(guān)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(shù)白皮書(shū)。本文為第一篇，將聚焦架構(gòu)演進(jìn)與 10BASE-T1S 的核心價(jià)值。

區(qū)域控制架構(gòu)

如今的汽車(chē)均需搭載精密復(fù)雜的電子通信網(wǎng)絡(luò)。與辦公場(chǎng)景中網(wǎng)線可隱匿于地毯之下、接口線纜便于手持布設(shè)不同，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)(IVN)的部署會(huì)受到更多物理?xiàng)l件的制約。

區(qū)域控制架構(gòu)是工程師在物理空間極為受限的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電子器件間通信以支持大量并發(fā)電子功能的技術(shù)方案。各個(gè)電子功能會(huì)依據(jù)其在車(chē)內(nèi)的相對(duì)鄰近程度進(jìn)行分組。

圖 1：經(jīng)優(yōu)化的區(qū)域控制架構(gòu)圖

圖 1 展示了現(xiàn)代汽車(chē)中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在傳統(tǒng)的域架構(gòu)中，車(chē)輛各項(xiàng)功能均配備獨(dú)立的電子控制單元 (ECU)，整車(chē) ECU 數(shù)量多達(dá) 85-100 個(gè)；而區(qū)域控制架構(gòu)可將 ECU 數(shù)量大幅縮減至 20 個(gè)左右。

激光雷達(dá)成像、車(chē)道偏離影像、防撞系統(tǒng)及先進(jìn)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(guò)邊緣傳感器采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)道偏離預(yù)警、防撞、盲區(qū)監(jiān)測(cè)及泊車(chē)輔助等功能。從網(wǎng)絡(luò)主干向邊緣節(jié)點(diǎn)延伸，在越靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的區(qū)域控制器處，應(yīng)用所需的帶寬就越少。通過(guò)這種方式對(duì)功能進(jìn)行聚類，低帶寬功能（例如門(mén)鎖傳感器）就不會(huì)對(duì)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(gòu)問(wèn)世之前，這類瓶頸問(wèn)題一直是行業(yè)內(nèi)的重要技術(shù)難題。

對(duì)精簡(jiǎn)型以太網(wǎng)的需求

圖 2：經(jīng)典的辦公室間以太網(wǎng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [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(luò)應(yīng)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(fù)雜度。汽車(chē)整車(chē)廠商 (OEM) 一致認(rèn)為：以太網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議統(tǒng)一的理想選擇。

以太網(wǎng)最初面向辦公設(shè)備共享場(chǎng)景設(shè)計(jì)，后續(xù)演進(jìn)為圖 2 所示的星型拓?fù)潼c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式；因此，需對(duì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充，以適配車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的需求。若將網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備均連接至同一個(gè)中央交換機(jī)，會(huì)導(dǎo)致線纜數(shù)量過(guò)多，進(jìn)而增加整車(chē)重量。

圖 3：基本的 CAN 多點(diǎn)總線配置，兩端各連接一個(gè) 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(zhǎng)期成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議，核心優(yōu)勢(shì)在于其高性價(jià)比及如圖 3 所示的多點(diǎn)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用 CAN 協(xié)議時(shí)，工程師無(wú)需將各邊緣器件逐一連接至中央交換機(jī)，而是可將一組器件（即傳統(tǒng)架構(gòu)中的“域”）掛載在同一條“共用線路”上實(shí)現(xiàn)通信。

然而，將邊緣的 CAN 與以太網(wǎng)骨干網(wǎng)連接起來(lái)，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的整體復(fù)雜度，“CAN + 以太網(wǎng)”的模式需要增設(shè)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)與連接器等硬件。

10BASE-T1S 如何消除瓶頸

圖 4：三臺(tái)設(shè)備共享一條公共總線的 10BASE-T1S 配置，通過(guò)雙絞線連接器同時(shí)傳輸電力與網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

10BASE-T1S 是 10BASE 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化版本，專為滿足車(chē)載及工業(yè)場(chǎng)景的聯(lián)網(wǎng)需求而擴(kuò)展。如圖 4 所示，10BASE-T1S 節(jié)點(diǎn)可通過(guò)單對(duì)雙絞線以多點(diǎn)總線形式實(shí)現(xiàn)共享通信，既無(wú)需部署以太網(wǎng)交換機(jī)，也可徹底省去大體積的以太網(wǎng)/CAN 網(wǎng)關(guān)。

圖 5：10BASE-T1S 控制器的三種器件配置選項(xiàng)及其連接方式

基于 10BASE-T1S 的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均包含主機(jī)（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(guò)三種方案實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)其三大核心功能類別。

媒體訪問(wèn)控制 (MAC)是實(shí)現(xiàn) OSI 模型第 2 層（數(shù)據(jù)鏈路層）功能的數(shù)字邏輯，負(fù)責(zé)幀格式、尋址和媒體訪問(wèn)規(guī)則，保障以太網(wǎng)通信正常運(yùn)行。

物理層器件 (PHY) 是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng) OSI 模型第 1 層的組件，負(fù)責(zé)將 MAC 輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理介質(zhì)上的電信號(hào)或光信號(hào)，反之亦然。

物理介質(zhì)相關(guān) (PMD) 子層直接與物理傳輸介質(zhì)對(duì)接，在 10BASE-T1S 網(wǎng)絡(luò)中為單對(duì)布線。它位于物理層的最底層，負(fù)責(zé)完成數(shù)字符號(hào)到線路實(shí)際信號(hào)轉(zhuǎn)換所需的各種模擬與電氣處理。

在 10BASE-T1S 網(wǎng)絡(luò)中，工程師通常根據(jù)成本與功能的綜合權(quán)衡，選用最契合需求的 MCU。依據(jù) MCU 中以太網(wǎng)相關(guān)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(gòu)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)的媒體獨(dú)立接口 (MII)，物理層器件可通過(guò)相同的 MII 與上層 (MAC) 進(jìn)行通信。雖然這種解決方案最多需要 18 個(gè)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(shì)實(shí)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(lái)提供構(gòu)建完整以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所需的全部功能。為了方便使用，此類 MAC-PHY 采用標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行頻率不低于 15 MHz，另外需要一個(gè) GPIO 作為 MAC-PHY 器件的中斷信號(hào)源。

10BASE-T1S 支持上述所有方案，便于工程師根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，靈活選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)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(dú)家技術(shù)特性與超強(qiáng)功能優(yōu)勢(shì)。