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Microchip Technology Inc. 汽車(chē)信息娛樂(lè )系統業(yè)務(wù)部 資深營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Henry Muyshondt 汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的演變：從特定領(lǐng)域到基于以太網(wǎng)的區域架構 長(cháng)期以來(lái)，汽車(chē)一直是整個(gè)世界復雜性和創(chuàng )新性的縮影�，F代汽車(chē)如今已成為高性能計算平臺，能夠處理海量數據，本質(zhì)上就像車(chē)輪上的數據中心。這些汽車(chē)控制著(zhù)眾多子系統，這些子系統相互依賴(lài)信息，實(shí)現高度自動(dòng)化，并通過(guò)各種傳感器和執行器與物理世界進(jìn)行交互。 最初，這些子系統采用針對特定功能優(yōu)化的通信技術(shù)，即所謂的領(lǐng)域專(zhuān)用硬件架構。這種方法需要多個(gè)應用專(zhuān)用總線(xiàn)在不同域之間傳輸數據，因此需要網(wǎng)關(guān)計算機在各種硬件架構之間轉換信息。由于需要管理多達 20 種網(wǎng)絡(luò )標準，汽車(chē)制造商尋求一種更精簡(jiǎn)的解決方案，為其通信基礎設施提供一個(gè)通用平臺。 過(guò)渡到基于以太網(wǎng)的區域架構 汽車(chē)行業(yè)目前正在從這些舊式網(wǎng)絡(luò )架構過(guò)渡到基于以太網(wǎng)的單一主干網(wǎng)。這種轉變使得車(chē)輛能夠被劃分成不同的“區域”，從而能夠通過(guò)基于 IP 的、無(wú)處不在的以太網(wǎng)更輕松地與集中式計算平臺進(jìn)行交互。汽車(chē)制造商與 IEEE 合作，幫助定義了一個(gè)物理層，該物理層只需要一對平衡線(xiàn)，而不是之前以太網(wǎng)安裝中常見(jiàn)的 2 對或 4 對線(xiàn)。下圖 1 展示了從特定領(lǐng)域的硬件架構到具有集中式計算平臺的區域架構的過(guò)渡。 
圖 1：從特定領(lǐng)域到區域架構的網(wǎng)絡(luò )大趨勢 向基于以太網(wǎng)的區域架構的過(guò)渡代表著(zhù)汽車(chē)設計和功能的重大飛躍。通過(guò)采用單一通信技術(shù)，汽車(chē)制造商可以簡(jiǎn)化車(chē)輛內部網(wǎng)絡(luò )，降低維護多種通信標準所帶來(lái)的復雜性和成本。這種簡(jiǎn)化的方法不僅提升了車(chē)輛性能，也為更先進(jìn)的功能和性能鋪平了道路。 通用數據框架的好處 統一的數據框架使車(chē)輛系統和功能能夠通過(guò)軟件定義，從而降低延遲和復雜性。隨著(zhù)安全需求的不斷增長(cháng)，標準化機制可以對網(wǎng)絡(luò )參與者進(jìn)行身份驗證并根據需要加密信息。以前的通信總線(xiàn)缺乏安全功能，需要采用多種方法來(lái)緩解安全威脅。 通用數據框架的優(yōu)勢遠不止安全性和效率。通過(guò)標準化車(chē)輛內部的通信協(xié)議，汽車(chē)制造商可以更輕松地集成新技術(shù)和功能。隨著(zhù)自動(dòng)駕駛、電動(dòng)汽車(chē)（EV）和車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)行業(yè)不斷發(fā)展，這種靈活性至關(guān)重要。通用數據框架確保這些創(chuàng )新能夠無(wú)縫融入車(chē)輛架構，從而提供更具凝聚力和集成度的駕駛體驗。 簡(jiǎn)化的軟件升級 使用通用網(wǎng)絡(luò )可以簡(jiǎn)化軟件升級，使設計人員能夠使用單一方法部署更新，而無(wú)需為不同的數據鏈路定義方法。簡(jiǎn)化軟件升級的能力將徹底改變汽車(chē)行業(yè)的格局。隨著(zhù)汽車(chē)越來(lái)越依賴(lài)軟件驅動(dòng)，定期更新和增強功能的需求也日益重要。通用網(wǎng)絡(luò )基礎設施支持無(wú)線(xiàn)（OTA）更新，使汽車(chē)制造商無(wú)需前往經(jīng)銷(xiāo)商即可部署新功能、修復錯誤并提升性能。這不僅提升了客戶(hù)體驗，還降低了維護成本和停機時(shí)間。 10BASE-T1S 以太網(wǎng)：連接數字世界和物理世界 以太網(wǎng)的概念已存在 50 年，IEEE®規范于 40 年前發(fā)布，主要用于在計算機之間傳輸大量數據。然而，數字計算世界與汽車(chē)物理世界之間的接口仍然依賴(lài)于硬件，并且針對特定領(lǐng)域。為了解決這個(gè)問(wèn)題，10BASE-T1S 以太網(wǎng)應運而生。 10BASE-T1S 以太網(wǎng)是一種多點(diǎn)總線(xiàn)，使用單對線(xiàn)纜作為主干。傳感器和執行器直接連接到該線(xiàn)纜，無(wú)需使用以太網(wǎng)交換機連接多個(gè)設備。當數據接收并需要發(fā)送到更高速的互連時(shí)，只需一個(gè)帶有 10BASE-T1S 端口和其他更高速端口的簡(jiǎn)單交換機即可。無(wú)需特殊的轉換網(wǎng)關(guān)，因為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )上的每個(gè)設備都使用相同的以太網(wǎng)幀格式。 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)標志著(zhù)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。通過(guò)提供標準化且高效的傳感器和執行器連接方式，10BASE-T1S 以太網(wǎng)彌合了數字世界與物理世界之間的鴻溝。該技術(shù)可實(shí)現實(shí)時(shí)數據處理和通信，使車(chē)輛能夠更快、更準確地響應不斷變化的路況。10BASE-T1S 以太網(wǎng)確保車(chē)輛各系統無(wú)縫協(xié)作。圖 2 展示了這一概念的工作原理。
圖 2：區域架構與域架構 實(shí)際應用：演示 為了展示 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的實(shí)際應用，Microchip開(kāi)發(fā)了一個(gè)演示，展示如何使用該技術(shù)連接車(chē)輛內的各種傳感器和執行器。該演示包含壓力、接近、光線(xiàn)和其他傳感器，它們可以捕獲真實(shí)世界的數據，然后由集中式計算平臺進(jìn)行處理。處理后的數據用于控制電機、風(fēng)扇、燈光和顯示器，進(jìn)而與物理世界進(jìn)行交互。圖 3 展示了演示板。
圖 3：多傳感器和執行器演示 這種設置不僅凸顯了 10BASE-T1S 以太網(wǎng)的多功能性，也凸顯了其簡(jiǎn)化車(chē)輛通信系統設計和實(shí)施的潛力。10BASE-T1S 以太網(wǎng)使用單對多點(diǎn)總線(xiàn)，無(wú)需以太網(wǎng)交換機即可連接眾多傳感器和執行器。當數據在網(wǎng)絡(luò )中流動(dòng)時(shí)，一個(gè)帶有 10BASE-T1S 端口的簡(jiǎn)單交換機即可連接更高速的連接，從而在整個(gè)系統中保持以太網(wǎng)幀格式的一致性。 為汽車(chē)制造商帶來(lái)巨大利益 使用單一協(xié)議實(shí)現大多數功能，對于必須支持多種特定應用標準的汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，具有顯著(zhù)優(yōu)勢。每年的車(chē)型都會(huì )對高級駕駛輔助系統（ADAS）進(jìn)行增強，這通常需要在未來(lái)配備新的攝像頭、雷達、超聲波傳感器和激光雷達，以及對信息娛樂(lè )和導航系統進(jìn)行更新。汽車(chē)的其他部件也會(huì )逐步增強，有時(shí)僅增加新的軟件功能。 如今，車(chē)輛可能配備 40 種不同的線(xiàn)束、數十甚至數百個(gè)電子控制單元（ECU），以及長(cháng)達數英里、重達 250 磅的電線(xiàn)。不同應用所需的各種電纜也帶來(lái)了電磁兼容性（EMC）挑戰，因為每種應用都有其獨特的要求。 轉向單一協(xié)議簡(jiǎn)化了車(chē)輛的內部架構，減少了所需的線(xiàn)束和ECU數量。這不僅減輕了重量和復雜性，還提高了可靠性和維護的便捷性。由于需要管理的組件減少，汽車(chē)制造商可以專(zhuān)注于提升車(chē)輛的性能和功能，從而提供更佳的整體駕駛體驗。 滿(mǎn)足未來(lái)需求 為了滿(mǎn)足未來(lái)汽車(chē)的需求，未來(lái)汽車(chē)的代碼行數將很快從目前的一億行增加到數億行，汽車(chē)行業(yè)正在向基于以太網(wǎng)的區域電子/電氣（E/E）架構轉型。該架構將傳感器聚合到從區域網(wǎng)關(guān)到主干網(wǎng)和中央計算平臺的單一鏈路中。 為了支持現代車(chē)輛日益復雜的特性，過(guò)渡到基于以太網(wǎng)的區域 E/E 架構至關(guān)重要。隨著(zhù)傳感器、執行器和電子系統數量的不斷增長(cháng)，可擴展且高效的網(wǎng)絡(luò )基礎設施變得至關(guān)重要。以太網(wǎng)提供處理這些系統產(chǎn)生的海量數據所需的帶寬和靈活性，確保車(chē)輛平穩高效地運行。 隨著(zhù)行業(yè)的不斷發(fā)展，基于以太網(wǎng)的架構的采用將在塑造汽車(chē)技術(shù)的未來(lái)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保車(chē)輛保持互聯(lián)、高效和創(chuàng )新。統一車(chē)輛通信架構最初只是一個(gè)概念，如今即將成為現實(shí)。目前道路上的一些車(chē)輛已經(jīng)將以太網(wǎng)用作其IT架構，而采用擴展到物理數字接口的全新分區架構的車(chē)型即將投入生產(chǎn)。這種方法不僅簡(jiǎn)化了車(chē)輛設計，還為軟件驅動(dòng)的創(chuàng )新開(kāi)辟了新的可能，因為曾經(jīng)由硬件定義的功能現在可以通過(guò)軟件實(shí)現和更新。 超越汽車(chē)：以太網(wǎng)的廣泛應用 以太網(wǎng)的優(yōu)勢不僅限于汽車(chē)行業(yè)。工業(yè)應用也開(kāi)始采用這項技術(shù)，這得益于對更高效、可擴展通信解決方案的需求。隨著(zhù)以太網(wǎng)在汽車(chē)以外的領(lǐng)域日益普及，規模經(jīng)濟將有助于降低成本，使其更易于普及，并吸引更廣泛的應用。此外，隨著(zhù)關(guān)于如何構建和實(shí)施基于以太網(wǎng)的系統的知識不斷擴展，在各個(gè)行業(yè)開(kāi)發(fā)和部署這些系統將變得更加容易。 從本質(zhì)上講，以太網(wǎng)（特別是 10BASE-T1S 以太網(wǎng)）的采用，是汽車(chē)技術(shù)中融合虛擬世界和現實(shí)世界的關(guān)鍵一步。這項技術(shù)不僅能夠實(shí)現未來(lái)車(chē)輛比以往任何時(shí)候都更智能、更安全、更互聯(lián)互通，而且還為跨多個(gè)領(lǐng)域的更廣泛創(chuàng )新奠定了基礎。 以太網(wǎng)從IT到汽車(chē)應用的演變歷程，充分證明了標準化的力量以及跨行業(yè)合作推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的潛力。隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)將在塑造未來(lái)汽車(chē)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，開(kāi)創(chuàng )一個(gè)以效率、安全和互聯(lián)為核心的全新出行時(shí)代。 |
