“干掉”汽車CAN總線以后，10BASE-T1S還要”干掉“MCU？

隨著汽車電子電氣架構(gòu)向區(qū)域控制演進(jìn)，以太網(wǎng)逐漸成為車載網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。10BASE-T1S以太網(wǎng)以其輕量化、高效率和安全性，正逐步取代傳統(tǒng)的CAN和LIN總線，推動(dòng)汽車智能化發(fā)展。這一變革不僅簡(jiǎn)化了車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，還下降了成本，為更先進(jìn)的功能和性能鋪平了道路。

目前，汽車內(nèi)的電子控制單元（ECU）數(shù)量正在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從平均20-30個(gè)，飆升至100多個(gè)，甚至數(shù)百個(gè)。如此大量的ECU勢(shì)必會(huì)對(duì)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶來挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)傳輸速度慢、延遲高、可靠性差，嚴(yán)重制約了汽車功能的升級(jí)和發(fā)展。

而現(xiàn)在，隨著汽車電子電氣架構(gòu)（E/E）架構(gòu)逐漸向區(qū)域架構(gòu)（Zonal）架構(gòu)發(fā)展，此時(shí)，為了解決車載網(wǎng)絡(luò)的需求和挑戰(zhàn)，目前車載總線通信正逐步由“CAN總線為主、其他總線為輔”的分布式架構(gòu)，向“以太網(wǎng)為主、CAN及其他總線為輔”的域集中式架構(gòu)轉(zhuǎn)變。

自從2020年，10M車載以太網(wǎng)即10BASE-T1s，也即IEEE802.3cg標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，消滅老舊的CAN\LIN總線的腳步越來越快了。事實(shí)上，除了替代原有總線，它還有一個(gè)重要的任務(wù)——消滅汽車內(nèi)多余的邊緣MCU。

這到底是為什么，又該怎么做，我們從汽車的架構(gòu)的演進(jìn)開始講起。

過渡到基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)

提到Zonal，可能有人會(huì)有些陌生，它是一種汽車電子電氣架構(gòu) (Electrical/Electronic Architecture，簡(jiǎn)稱EEA)。大家都認(rèn)為，Zonal架構(gòu)可能會(huì)是汽車E/E的終極架構(gòu)。汽車電子電氣架構(gòu)大概分為三代，從分布逐漸向更高集成度靠攏，我們現(xiàn)在主流應(yīng)用的架構(gòu)是第二代，Zonal則是第三代：

第一代為Flat（分布式架構(gòu)）。它就像部落制，每個(gè)電子功能都擁有自己的ECU。 此時(shí)期，架構(gòu)缺點(diǎn)很明顯，各ECU間基本處于封閉的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，既無法實(shí)現(xiàn)功能協(xié)同，更無法具備OTA升級(jí)條件。與此同時(shí)，當(dāng)汽車越來越豪華，功能越來越豐富，車上就出現(xiàn)了上百個(gè)ECU，每個(gè)ECU各自為政，想要它們交換信息，每一個(gè)ECU都需要一條線束控制和傳遞，所以這種架構(gòu)很復(fù)雜、很難擴(kuò)展；第二代為Domain（域控制）架構(gòu)。它就像諸侯制，按照功能把車?yán)锩嬗?jì)算需求進(jìn)行歸類比如博世將整車架構(gòu)劃分為五個(gè)域，即動(dòng)力域（Power Train）、底盤域（Chassis）、車身域（Body/Comfort）、座艙域（Cockpit/Infotainment）、自動(dòng)駕駛域（ADAS），而此時(shí)負(fù)責(zé)處理這些工作的核心就是域控制器（Domain Control Unit）。表層來看，這種分類非常清晰，但在車上的走線卻非常復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)功能實(shí)際所處位置遍布全車身，最終造成線束在車?yán)锢@來繞去；第三代為Zonal（區(qū)域控制）架構(gòu)，雖然也是按照區(qū)域分類，不過主要是按照物理位置的方式去歸類，更像郡縣制。特斯拉的Model 3是最早采取這個(gè)架構(gòu)的汽車，分為前車身、左車身、右車身三個(gè)物理的區(qū)域，對(duì)應(yīng)布置三個(gè)區(qū)域控制器ZCU（Zonal Control Unit），所有端側(cè)執(zhí)行器就近接入ZCU中，變成典型的IT計(jì)算架構(gòu)，線束也更加簡(jiǎn)潔。

汽車E/E架構(gòu)演進(jìn)，圖源｜Cadence

不過，架構(gòu)改變了，此時(shí)車載網(wǎng)絡(luò)的問題便越來越凸顯了。

最初，這些汽車子系統(tǒng)采用針對(duì)特定功能優(yōu)化的通信技術(shù)，即所謂的領(lǐng)域?qū)Ｓ糜布軜?gòu)。這種方法需要多個(gè)應(yīng)用專用總線在不同域之間傳輸數(shù)據(jù)，因此需要網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)在各種硬件架構(gòu)之間轉(zhuǎn)換信息。由于需要管理多達(dá)20種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，汽車生產(chǎn)商尋求一種更精簡(jiǎn)的解決方案，為其通信基礎(chǔ)設(shè)施提供一個(gè)通用平臺(tái)。

大家還發(fā)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)協(xié)議的傳輸速率較低，比如LIN最大支持20 kb/s，CAN為1 Mb/s，CAN FD為5 Mb/s，F(xiàn)lexRay則為10 Mb/s。

因此，汽車正快速成為使用以太網(wǎng)設(shè)備的主要領(lǐng)域，在汽車中廣泛部署以太網(wǎng)則成為成功推出這些新架構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。以太網(wǎng)帶來了所需的擴(kuò)展能力，支持多種速率等級(jí)，是一種成熟可靠的傳輸媒體，支持基于服務(wù)的架構(gòu)，采用充分開發(fā)的安全和防護(hù)構(gòu)建模塊。以太網(wǎng)采用定義明確、易于理解的OSI模型，可以更輕松的管理整個(gè)車輛的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

汽車的區(qū)域架構(gòu)，圖源丨ADI

向基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)的過渡有很多好處，通過采用單一通信技術(shù)，汽車生產(chǎn)商可以簡(jiǎn)化車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，下降維護(hù)多種通信標(biāo)準(zhǔn)所帶來的復(fù)雜性和成本。這種簡(jiǎn)化的方法不僅提升了車輛性能，也為更先進(jìn)的功能和性能鋪平了道路。

10BASE-T1S以太網(wǎng)：連接數(shù)字世界和物理世界

以太網(wǎng)的概念已存在50年，IEEE?規(guī)范于40年前發(fā)布，主要用于在計(jì)算機(jī)之間傳輸大量數(shù)據(jù)。然而，數(shù)字計(jì)算世界與汽車物理世界之間的接口仍然依賴于硬件，并且針對(duì)特定領(lǐng)域。因此，以太網(wǎng)被人們看中。

不過，做到汽車上的以太網(wǎng)，也不是簡(jiǎn)單粗暴地復(fù)制粘貼，而是有特殊需求。汽車電子電氣架構(gòu)對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)提出了特殊要求，其中最核心的是輕量化需求。當(dāng)前汽車線束系統(tǒng)作為整車最重的三大組件之一，重量可達(dá)60公斤，直接影響著車輛的續(xù)航表現(xiàn)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用4對(duì)差分線的布線方式，不僅增加車身重量，也提升了系統(tǒng)復(fù)雜度，難以滿足汽車應(yīng)用場(chǎng)景。此外，以太網(wǎng)并非專門針對(duì)汽車環(huán)境而設(shè)計(jì)，缺乏電磁兼容性（EMC）和低能效等特性。

為滿足汽車通信鏈路的所有需求，汽車行業(yè)對(duì)單條雙絞線電纜解決方案進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，這推動(dòng)了新型PHY技術(shù)的開發(fā)。基于此，xBASE-T1汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（T1代表單條雙絞線電纜）應(yīng)運(yùn)而生。10BASE-T1S便是IEEE 802.3-2022系列以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，OEM已開始實(shí)施這項(xiàng)以太網(wǎng)PHY技術(shù)，相關(guān)車輛計(jì)劃在2025年前上路行駛。

10BASE-T1S以太網(wǎng)是一種多點(diǎn)總線，使用單對(duì)線纜作為主干。傳感器和執(zhí)行器直接連接到該線纜，無需使用以太網(wǎng)交換機(jī)連接多個(gè)設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)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(jī)即可。無需特殊的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備都使用相同的以太網(wǎng)幀格式。

10BASE-T1S以太網(wǎng)的開發(fā)是汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。通過提供標(biāo)準(zhǔn)化且高效的傳感器和執(zhí)行器連接方式，10BASE-T1S以太網(wǎng)彌合了數(shù)字世界與物理世界之間的鴻溝。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和通信，使車輛可以更快、更準(zhǔn)確地響應(yīng)不斷變化的路況。

區(qū)域架構(gòu)與域架構(gòu)，圖源丨Microchip

10BASE-T1S獨(dú)特之處在于：第一，支持多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都通過同一對(duì)非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供一個(gè)優(yōu)化的BOM，只需在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上部署一個(gè)以太網(wǎng)PHY，無需采用與其他以太網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)的切換或星型拓?fù)?，該?biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須支持至少8個(gè)節(jié)點(diǎn)（可以支持更多節(jié)點(diǎn)），總線長(zhǎng)度必須達(dá)到25米；第二，物理層沖突規(guī)避(PLCA)，顧名思義，就是避免共享網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突。這種配置確保確定性最大延時(shí)主要由網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量決定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)獲得傳輸機(jī)會(huì)，如果彼時(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)要傳輸，它會(huì)將傳輸機(jī)會(huì)移交給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以充分利用可用的10 Mbps帶寬；第三，功耗極低，與傳統(tǒng)的CAN協(xié)議相比，10BASE-T1S使用的傳輸電壓為1 VPP，可以在3.3V電源下工作，而CAN通常需要5V電源；第四，更安全，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如CAN和FlexRay并不具備內(nèi)置的安全機(jī)制，而10BASE-T1S則可以直接利用以太網(wǎng)的安全特性。

單對(duì)以太網(wǎng)IEEE 802.3cg規(guī)范提供長(zhǎng)距離（10BASE-T1L）和短距離（10BASE-T1S），圖源丨ONsemi

10BASE-T1S在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛多樣，多種傳感器和驅(qū)動(dòng)器在車身領(lǐng)域、舒適性、信息娛樂以及ADAS系統(tǒng)中的跨多個(gè)功能應(yīng)用仍在探討中。目前，廠家主要推進(jìn)10BASE-T1S在車內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，如雷達(dá)、氛圍燈、LED燈光系統(tǒng)、門鎖系統(tǒng)等。

摘自IEEE802.3cg規(guī)范圖148?1，圖源丨ONsemi

目前，對(duì)于基于以太網(wǎng)的Zonal架構(gòu)，行業(yè)提出了兩個(gè)階段：

第一階段：需兼容老舊的CAN和LIN，每個(gè)區(qū)域控制器都要增加網(wǎng)關(guān)，這會(huì)造成硬件成本上升，軟件開發(fā)周期變長(zhǎng)，還需要物理開發(fā)版和CAN專用工具；第二階段：采用全以太網(wǎng)，徹底“干掉”CAN/LIN 和網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)變得簡(jiǎn)潔高效，能顯著節(jié)省軟硬件成本和線束成本。

10BASE-T1S總線拓?fù)?，圖源丨ADI

一些MCU，也要被“干掉”了？

在實(shí)施10BASE-1TS過程當(dāng)中，不僅一些CAN總線要消失了，一部分MCU可能也要被“干掉”了。

安森美（ONsemi）便在去年創(chuàng)新性推出了無微控制器（MCU-less）前照燈解決方案，采用10BASE-T1S以太網(wǎng)接口，逐漸取代了傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)或LIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能通過ECU-Light架構(gòu)實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的汽車以太網(wǎng)化。

該方案通過將控制邏輯集成到RCP芯片中，無需使用MCU，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、下降了成本，還讓軟件更新更便捷，系統(tǒng)功能擴(kuò)展更輕松。軟件層之間可進(jìn)行控制、報(bào)告、用戶界面/應(yīng)用程序接口等數(shù)據(jù)交換，這不僅提升了性能，還讓車輛能更好地適應(yīng)新技術(shù)和市場(chǎng)的需求。

此外，該解決方案憑借高度集成的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)最小尺寸和最低BOM成本。其驅(qū)動(dòng)器支持單片升壓和降壓通道，集成了電流傳感器，無需額外分流電阻，優(yōu)化了成本、尺寸和效率。

安森美憑借技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，其無MCU方案已進(jìn)入客戶驗(yàn)證階段。相比競(jìng)品的集成MCU方案，該方案更契合汽車電子架構(gòu)向中央計(jì)算平臺(tái)演進(jìn)的大趨勢(shì)——通過算力集中化，不僅優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)，更為軟件定義車燈提供了靈活空間，支持未來通過OTA持續(xù)升級(jí)燈光功能。

ONsemi的無MCU方案，圖源丨ONsemi

ADI在今年慕尼黑電子展上，展示了無MCU的10BASE-T1S方案。

基于以太網(wǎng)，ADI也開發(fā)出了E2B（Ethernet to the Edge Bus）邊緣以太網(wǎng)總線，基于10BASE-T1S協(xié)議，從而推動(dòng)分布式電子電氣架構(gòu)向域控架構(gòu)演進(jìn)。ADI中國區(qū)汽車業(yè)務(wù)市場(chǎng)經(jīng)理張遠(yuǎn)濤認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)全車以太網(wǎng)化的關(guān)鍵之一，就是子節(jié)點(diǎn)及外設(shè)的以太網(wǎng)化，這也是E2B替代CAN、LIN的根本動(dòng)力。通過E2B的10兆以太網(wǎng)技術(shù)，可以將軟硬件深度解耦，軟件層用戶無需關(guān)注底層端設(shè)備類型，可直接通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另外，這也是為軟件集中化部署奠定基礎(chǔ)，通過軟件解耦，使軟件可以高效集成至域控制器上面去集中。

張遠(yuǎn)濤表示，ADI的E2B已經(jīng)將總線協(xié)議集成到了芯片中，這就意味著端點(diǎn)無需額外配置MCU，即可直接控制，下降了產(chǎn)品的開發(fā)門檻，尤其是軟件編寫者們。另外，ADI的E2B通過SPI實(shí)現(xiàn)控制，無需以太網(wǎng)的MAC模塊。其具體解釋道：“傳統(tǒng)的CAN和LIN協(xié)議的控制，需要先將命令打包成CAN協(xié)議或者LIN協(xié)議，再傳到遠(yuǎn)端的MCU上進(jìn)行解析，最后才到達(dá)控制系統(tǒng)。ADI通過E2B在芯片內(nèi)進(jìn)行硬解析，然后將I2C或SPI的控制信號(hào)打包成以太網(wǎng)信息發(fā)到接收端，然后節(jié)點(diǎn)的E2B芯片進(jìn)行硬解碼，再通過GPIO口，控制節(jié)點(diǎn)的相關(guān)器件。”

另外，張遠(yuǎn)濤提到，E2B支持TSN時(shí)間同步，這對(duì)于汽車節(jié)點(diǎn)控制而言至關(guān)重要。在站臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，ADI演示了利用E2B實(shí)現(xiàn)兩個(gè)雨刮器的同步執(zhí)行。去年3月，寶馬宣布將成為首批部署E2B的OEM，并計(jì)劃在未來的汽車座艙氛圍照明系統(tǒng)中采用這項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)然未來E2B的潛力不止如此，在電機(jī)、傳感器、車身等等傳輸與控制上都有可能。

可以看出，這兩家的方案，都瞄準(zhǔn)了車燈。無MCU車燈方案正在重新定義汽車照明的價(jià)值內(nèi)涵。這一創(chuàng)新方案推動(dòng)車燈從基礎(chǔ)功能件升級(jí)為智能交互終端，在安全與體驗(yàn)兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)突破：自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下，依托矩陣LED和像素級(jí)調(diào)光技術(shù)，車燈能根據(jù)環(huán)境感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整光束，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)遠(yuǎn)光等安全功能；在用戶體驗(yàn)端，通過域控制器算力支持豐富的動(dòng)態(tài)燈光效果，并開放用戶自定義功能，成為品牌差異化的新觸點(diǎn)。

隨著汽車智能化發(fā)展，車燈作為重要的視覺交互界面，其戰(zhàn)略地位持續(xù)提升。這種創(chuàng)新的方案創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在硬件架構(gòu)簡(jiǎn)化，更開創(chuàng)了"硬件預(yù)埋+軟件增值"的商業(yè)模式，為車企創(chuàng)造了功能迭代和增值服務(wù)的新機(jī)遇。未來，車燈還可能承擔(dān)V2X通信等更高級(jí)功能，在車路協(xié)同生態(tài)中扮演關(guān)鍵角色。

汽車以太網(wǎng)戰(zhàn)火升級(jí)

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，基于以太網(wǎng)的架構(gòu)的采用將在塑造汽車技術(shù)的未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保車輛保持互聯(lián)、高效和創(chuàng)新。統(tǒng)一車輛通信架構(gòu)最初只是一個(gè)概念，如今即將成為現(xiàn)實(shí)。目前道路上的一些車輛已經(jīng)將以太網(wǎng)用作其IT架構(gòu)，而采用擴(kuò)展到物理數(shù)字接口的全新分區(qū)架構(gòu)的車型即將投入生產(chǎn)。

以太網(wǎng)從IT到汽車應(yīng)用的演變歷程，充分證明了標(biāo)準(zhǔn)化的力量以及跨行業(yè)合作推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的潛力。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)將在塑造未來汽車方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，開創(chuàng)一個(gè)以效率、安全和互聯(lián)為核心的全新出行時(shí)代。

目前，可以看到很多廠家都在開始加大對(duì)于汽車以太網(wǎng)上的投入力度。

今年4月，英飛凌宣布收購Marvell汽車以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，引發(fā)了行業(yè)關(guān)注。有工程師表示：“英飛凌眼光很毒的，包括他的SiC研發(fā)路線。真的強(qiáng)的可怕，技能樹好像就沒點(diǎn)歪過。以太網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)一統(tǒng)天下，這個(gè)短版補(bǔ)的及時(shí)?！备鶕?jù)英飛凌官微消息披露，英飛凌簽署了一項(xiàng)以25億美元收購Marvell Technology汽車以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的協(xié)議。通過此次交易，英飛凌將其領(lǐng)先的汽車MCU產(chǎn)品組合與Marvell的汽車以太網(wǎng)業(yè)務(wù)相結(jié)合，提高自身在軟件定義汽車領(lǐng)域的系統(tǒng)能力。此前，英飛凌基于Microchip10BASE-T1SPHY推出了相關(guān)套件。

Microchip在10BASE-T1S中布局很早，2023年7月就推出了首批車規(guī)級(jí)10BASE-T1S以太網(wǎng)器件，符合AEC-Q100一級(jí)資質(zhì)，型號(hào)包括LAN8670、LAN8671和LAN8672。緊接著在2023年9月就推出符合汽車應(yīng)用要求的LAN8650/1 MAC-PHY系列新器件，LAN8650 和 LAN8651 MAC-PHY包括一個(gè)媒體訪問控制器（MAC）和串行外設(shè)接口 （SPI），用于連接汽車網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備。

最近，Microchip展示了一個(gè)無需以太網(wǎng)交換機(jī)即可連接眾多傳感器和執(zhí)行器的演示。該演示展示了如何使用該技術(shù)連接車輛內(nèi)的各種傳感器和執(zhí)行器。該演示包含壓力、接近、光線和其他傳感器，它們可以捕獲真實(shí)世界的數(shù)據(jù)，然后由集中式計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)用于控制電機(jī)、風(fēng)扇、燈光和顯示器，進(jìn)而與物理世界進(jìn)行交互。

多傳感器和執(zhí)行器演示，圖源丨Microchip

總之，目前市場(chǎng)對(duì)于汽車10BASE-T1S、100BASE-T1、1000BASE-T1甚至是10GBASE-T1的關(guān)注度都非常高。無論是有MCU方案，還是無MCU方案，無論是MCU廠家、PHY廠家、交換機(jī)芯片廠家都在加大投入。反觀CAN領(lǐng)域，隨著CAN XL的推出，行業(yè)在總線領(lǐng)域也充滿著無限可能性。未來，這一領(lǐng)域或許也呈現(xiàn)百花齊放的場(chǎng)景。