未来汽车的神经与血管 -- 车载以太网

 

以太网是 IEEE 组织定义的一种局域网协议，此协议已经成为最广泛应用的局域网协议。

以太网技术发明于 1973 年，经过 40 多年的发展，目前已是应用最为普遍的局域网技术，甚至也可应用于广域网。

严格来说，以太网并不是特指某种总线技术，它是IEEE组织 803.2 工作组下的一系列标准协议。以太网从最初支持 10Mbps 的吞吐量开始，经过不断的发展，目前有快速以太（100Mbps）、千兆以太网（1Gbps）、万兆以太网（10Gbps）。传输介质不仅有双绞线铜线，还可以是光纤。发展至今日，因它具有成本低、速率快、可靠性高等特点被广泛的应用。我们可以通过以太网传送 Email、图片、声音、视频等等。

 

 

我们说的“车载以太网”是相对于“民用以太网”而言的，它是指，IEEE 组织基于 Broadcom BroadR-Reach 为基础，定义的802.3bw/802.3bp标准，也就是 100BASE-T1/1000BASE-T1 标准，

802.3bw 对应 100BASE-T1,也就是 100Mbps 以太网。

802.3bp 对应 1000BASE-T1,也就是 1000Mbps 以太网。

 

这个新的定义用一对双绞线，代替“民用以太网”使用的两对或三对双绞线，实现满足以太网协议的 10Mbps/100Mbps 的数据双向传输。

车载以太网的设计是为了满足车载环境中的一些特殊需求。例如：满足车载设备对于电气特性的要求（EMI/RF）；满足车载设备对高带宽、低延迟以及音视频同步等应用的要求；满足车载系统对网络管理的需求等。

 

因此可以理解为，车载以太网在民用以太网协议的基础上，改变了物理接口的电气特性，并结合车载网络需求专门定制了一些新标准。

 

 

3.1 未来汽车的网络需要更快的传输速度

众所周知，一直到目前为止，CAN 总线仍然是汽车内部电子部件之间的主要传输方式，CAN 总线理论上最高的传输速度为 1Mbps，新的 CAN FD 传输速度可达 5Mbps，这个数据在实际应用中，速度会更低一些。

这个速度和我们生活中电脑上网的速度差远了，我们平时用的网速动辄百兆起，现在甚至有千兆或者 Gbit 级别的应用。

汽车在进化到半自动驾驶、自动驾驶的过程中，汽车内部的电子部件之间，通信需求会越来越频繁，需要的数据传输量也会呈指数级增长。CAN 总线已经不能满足进化的需求了。

之前看到一个比喻，新能源动力系统更换了汽车的心脏，无人驾驶改造的是汽车的大脑，车联网通过重塑五官来改变汽车的感知方式，离一个全身手术只差最后一步，搭建新的神经和血管系统。

这个神经和血管系统的更新，就是升级成车载以太网。

 

3.2 未来的汽车需要更轻的线材重量和线材成本

车内线束在重量是继底盘和引擎之外占第三位的部分；同时车内线束也已成为继引擎和底盘之外车内第三大成本支出的部分，不论生产环节，还是维修过程，布置配线的人工成本占整车的 50%，而且这些工作都是机械取代不了的，

统计显示，一辆 B 级车的线束系统成本要大约 300 美元，重量大约 25 公斤，汽车每行驶 100KM，车辆将消耗近 0.1kg 的汽油。所有线束收尾相连长度大约 2000 米，线束大约 600 根，1200 个接点；而一辆 C 级或 D 级车的线束系统成本大约 550-650 美元，重量大约 60 公斤，线束大约 1500 根，长度大约 5000 米，3000 个接点。如果沿用目前的以 CAN 为主的通信方式，自动驾驶汽车的线束成本大约 1000 美元，重量可达 100 公斤。

众多车厂和 Tier-1 开始开发新的汽车通信架构，由一个中央网关和数个域控制器组成的拓扑形式是目前的共识，而这个架构主要就是由车载以太网来实现的。

车载以太网仅仅需要一对非屏蔽的双绞线，就可以实现 100Mbps/1000Mbps 速度等级的传输，速度比 CAN 要快很多，这种线材可以不用铝箔层和绝缘胶层，比传统网线还轻，传导辐射打静电等性能，也已经通过了相关国际标准的测试。

这种优化处理使车载以太网可满足车载 EMC 要求。可减少高达 80% 的车内连接成本和高达 30% 的车内布线重量。

所以，使用车载以太网可以极大的提高传输带宽，以及极大的简化车内线束以及减轻线束的重量。

 

 

 

 

 

4.1 在 IEEE 协议内章节不同

针对车载以太网标准，IEEE 组织也对 IEEE 802.1 和 IEEE 802.3 标准进行了相应的补充和修订。具体为：

IEEE802.3bw ——  指的就是 100BASE-T1 的相关标准，是用一对双绞线传输的100Mbps 车载以太网。这里注意区别于 100BASE-TX（标准民用100Mbps以太网）

IEEE802.3bp ——  指的就是 1000BASE-T1 的相关标准，是用一对双绞线传输的1000Mbps 车载以太网。这里注意区别于 1000BASE-TX（标准民用 1000Mbps 以太网）

 

4.2 需要的线的数量不同

标准民用以太网，100Mbps 一般使用两对屏蔽双绞线，1000 Mbps 一般使用三对屏蔽双绞线，也可以使用光纤。

车载以太网突出的特点是，只使用一对非屏蔽双绞线，可以支持 15m 的传输，屏蔽双绞线可达 40m 传输。

 

4.3 车载以太网特有的 AVB 和 TSN 功能

由于带宽通常是由多个设备共享的，这也是以太网的优势所在。而且所有的发送端没有基于时间的流量控制，网络里面的任何设备可以在任何时候开始传输，也因此导致了在数据的传输时间的预计上，无法做到确定和精准。

 

比如某个时间段，网络里面数个设备同时传输视频，可能导致视频不流畅，或者视频和音频不同步的现象。

 

在汽车、工业、专业音视频的应用领域，是不允许有时间不精准或者不同步的现象出现的，因为汽车和工业都涉及到了安全的问题。所以这些领域需要一种具备时间确定性的以太网技术。

2006 年，IEEE802.1 工作组成立 AVB 音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。部分车厂也把 AVB 技术运用到自己品牌的车中，用来做前排座位和后排座位的车载影音系统的音视频同步。

2012年，AVB 任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改为现在的：TSN（时间敏感网络）任务组。可以理解为，TSN 包含了 AVB。

所以，TSN其实指的是在 IEEE802.1 标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立“通用”的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。

所以在汽车控制领域，以及任何需要实时监控或者实时反馈的领域，都需要 TSN 技术。

 

小结：车载以太网在 IEEE 中有单独的章节定义；车载以太网需要的传输线的数量更少；车载以太网比标准民用以太网多了 TSN 的需求，也就是传输的时间要很精准。

 

 

在 OSI 七层模型里面，最下面的两层，物理层和数据链路层。

其中物理层的芯片称之为 PHY（Physical Layer 物理层），

数据链路层的芯片称之为 MAC（Media Access Control，媒体访问控制）。

 

 

PHY（Physical Layer 物理层）定义了：

数据传送与接收所需要的电与光信号、

线路状态，

时钟基准，

数据编码，等等，

并向数据链路层设备提供标准接口。

 

数据链路层则提供

寻址机构，

数据帧的构建，

数据差错检查，

传送控制，等等，

并向网络层提供标准的数据接口等功能。

 

那 PHY 和 MAC 之间是如何传送数据和相互沟通的？

PHY 和 MAC 之间的数据传输是通过IEEE定义的标准的MII(Media IndependentInterface，介质独立界面) 接口，连接的。

而 MAC 对 PHY 的工作状态的确定和对 PHY 的控制信号则是使用 SMI(Serial Management Interface)接口通过读写PHY的寄存器来完成的。PHY 里面的部分寄存器也是 IEEE 定义的，这样 PHY 把自己的目前的状态反映到寄存器里面。

MAC 通过 SMI 总线不断的读取 PHY 的状态寄存器以得知目前 PHY 的状态，例如连接速度，双工的能力等。当然也可以通过 SMI 设置 PHY 的寄存器达到控制的目的，例如流控的打开关闭，自协商模式还是强制模式等。

我们看到了，不论是 MII 接口和 SMI 接口，都是有 IEEE 的规范的，因此不同公司的 MAC 和 PHY 一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的 PHY 的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。

大部分的情况是，MAC 已经包在网关或者域控制器的 CPU 里面了，PHY 是一颗单独的外置芯片。所以我们接下来谈的车载以太网芯片，通常是指有车载以太网协议的 PHY 芯片。

 

车载以太网 PHY 芯片，首先要满足 IEEE802.3bw 或者 IEEE 802.3bp 协议，再次是要通过 AEC-Q100 的标准。

笔者了解到现有已经推出车载以太网 PHY 芯片的半导体厂商有：

 

Broadcom

BCM89610

BCM89611

BCM8988X

BCM89810

BCM89811

BCM89820

 

Artheros

AR8031

 

NXP

TJA1100

TJA1101

TJA1102

其中，NXP TJA1100 是符合 IEEE 100BASE-T1 标准，单端口以太网 PHY 收发器。它的设计完全符合汽车应用的需求。它支持 100Mbit/s 的传输，接收能力达非屏蔽双绞线(UTP)15 米以上。

TJA1100 可实现最低的系统成本，并满足新一代电子控制单元（ECU）和高级驾驶员辅助系统（ADAS）的传感器对面积和散热方面的严格限制。

TJA1100 符合 AEC-Q100 1 级，设计初衷是最小的封装尺寸、最少的外部组件开销和低功耗。

 

 

 

 

我们认为下一代汽车的网络架构，会由一个中央网关，和数个域控制器（Domain Controller）单元组成。中央网关和域控制器之间，通过千兆车载以太网或者百兆以太网连接，域控制器单元内部，通过百兆以太网或者 CAN 总线连接。这个架构也是整车厂和 Tier-1 目前正在积极布局的架构。

 

 

今天以 GPS、V2X、3G/4G 为主的无线连接已经打通汽车与外部连接的通道，是时候升级汽车内部的连接方式了。

试想将来汽车内部的每个域、每个 ECU 单元，包括座椅、车窗、油门、刹车、发动机、转向、轮胎、悬挂、电力系统都接入云中心，连接大数据的服务，以及 OTA 在线升级的服务等等，这会引发多少新的应用，让我们拭目以待。

 

 

大联大旗下世平集团  ATU 部门可以提供相关设计方案，需要请联系 atu.cn@wpi-group.com.

 

 

---