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車載乙太網挑戰CAN匯流排

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隨著汽車智慧化的發展,車載乙太網成為先進汽車電子架構必不可缺的一部分,在中心節點,車載乙太網已經佔據絕對優勢地位,但在邊緣節點,CAN、CAN-FD和FlexRay等匯流排依然佔據主要地位,特別是CAN。這使得汽車電子架構難以達到真正的Zonal級別,只能停留在域控制器級別。要想軟體定義汽車或者說服務導向架構,Zonal架構都是必須要做到的。

車載乙太網挑戰CAN匯流排

圖片來源:網際網路

典型的Zonal架構,就是伺服器的概念,透過車載乙太網骨幹網,超級計算核(即伺服器或高效能計算即HPC)處理所有節點的計算需求。汽車變成類似於PC的架構,軟硬體徹底分離,硬體統一,絕大部分工作都是軟體,依靠LINUX等作業系統與自適應AUTOSAR,硬體對程式設計師完全透明化。

目前有兩大領域,一個是感測器領域,一個是執行器領域,急需要車載乙太網取代傳統的CAN匯流排,感測器領域主要是超聲波感測器、毫米波雷達感測器、用於緊急呼叫的麥克風,最後還有用於動力傳遞部分的位置、速度、壓力、溫度等感測器。執行器領域主要是燈光,包括前大燈,內部燈,氛圍燈;揚聲器,車門揚聲器、超低音揚聲器、緊急呼叫揚聲器;最後是各種電機,包括車窗、各種鏡子、泵、雨刷等。

2020年3月,IEEE釋出了802。3cg標準,即10 Mb/s Single Pair(10SPE),不僅可以用於汽車,還有工控和樓宇自動化領域。標準分兩個,一個為10BASE-T1L,用於樓宇自動化和工控,最大距離1公里,全雙工,點對點傳輸。另一個是10BASE-T1S,用於汽車,最大距離25米。寶馬和通用已經確認將在下一代汽車中用10BASE-T1S取代CAN匯流排。

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10BASE-T1S只是物理層標準,鏈路層也有微小變化,其餘無變化,對軟體工程師來說完全透明,無需理會。

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上圖為今天最先進智慧車(當然不是特斯拉)的電子架構,談到電子架構的先程序度,賓士、寶馬和通用都在特斯拉之上。特斯拉還在使用老舊的非車載級乙太網。

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未來的汽車電子架構,CAN與FlexRay都被乙太網取代。這種車載乙太網就是10BASE-T1S。

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目前先進域控制器都是使用100BASE-T1或1000BASE-T1車載乙太網,這種設計是效能至上,要想取代CAN,成本最關鍵。10BASE-T1S的出發點是三個,低成本、低功耗,低電磁輻射。這裡的成本指整體成本,10BASE-T1S使用單對非遮蔽雙絞線,無論聯結器、線纜成本都比CAN要低,線纜重量也要低大約50%。此外可以透過乙太網供電,無需單獨供電線路。

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10BASE-T1S使用PLCA,即PhysicalLayer Collision Avoidance,物理層衝突避免。保證低延遲和高可靠性。其採用半雙工機制,透過一個BEACON按日程表每週期通訊(cyclic communication scheduled over a BEACON),BEACON是一個座標節點規律傳送的標記,每傳送一個BEACON,每一個節點都有機會發送資料 After each transmitted BEACON, each station is granted a transmitopportunity (TO)。

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10BASE-T1S採用CSMA/CD,Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection 載波監聽多點接入/碰撞檢測協議傳輸資料。但附加了PLCA,IEEE在測試中發現,附加PLCA後,頻寬利用效率最高。

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附加PLCA後延遲也大大低於傳統的CSMA/CD,不會高於1毫秒。為避免相容性問題,PLCA是可選項,也可以不用,相容一些比較老的MCU。

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10BASE-T1S的另一個特色是Multidrop mode,無需交換機或閘道器的加入即可實現多節點。

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這種網路架構裡有一個稱之為協調者Coordinator,其他為Drop Node,不太嚴格地說,協調者類似主,DropNode是從。

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10BASE-T1S可以相容現在的TC6或TC14標準,但PCLA必須要802。3cg。

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軟體方面,2020年11月版的經典AUTOSAR支援RMII/MII物理層,2021年11月版支援MACPHY。

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診斷、時鐘同步和安全方面的特色如上,未來還會加入睡眠喚醒和新拓撲架構。

目前10BASE-T1S物理層晶片常見的只有Microchip的LAN8670/1/2,德州儀器和ADI正在開發中,它們有針對工控和樓宇自動化的10BASE-T1L物理層晶片。

LAN8670/1/2典型應用圖

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LAN8670/1/2內部框架圖

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10BASE-T1S暫時還無法撼動CAN匯流排在汽車領域的地位,但是CAN-FD和FlexRay將受到10BASE-T1S的強力挑戰,拿下CAN-FD和FlexRay之後,10BASE-T1S會挑戰CAN,屆時車內只會存在乙太網和LIN兩種匯流排。

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