車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的革命性發(fā)展

隨著汽車電氣化的快速發(fā)展，除了朝向電池驅(qū)動(dòng)的純電化發(fā)展之外，傳統(tǒng)車輛也開始采用大量的電子系統(tǒng)，通過部署大量的傳感器、處理器和執(zhí)行器來提升功能、安全性和效率，車輛的復(fù)雜性正迅速增加。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）系統(tǒng)的需求也與日俱增，需要更高的帶寬和更低的延遲通信來確保功能和安全。本文將為您介紹車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，以及由安森美（onsemi）所推出的相關(guān)解決方案。

車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議滿足汽車的

性能和帶寬需求

隨著汽車電子應(yīng)用的發(fā)展，多年來，市場(chǎng)上已經(jīng)制定了幾種主要（或?qū)ｉT）用于車載網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，雖然每種協(xié)議都有獨(dú)特的屬性，但由于架構(gòu)的不斷變化和車載網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)，這些協(xié)議仍然難以滿足當(dāng)今汽車的需求。因此，汽車制造商正在尋找新的方案來提供必要的性能和帶寬。

在各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之中，以太網(wǎng)曾是一種顯而易見的選擇，因?yàn)樗谟?jì)算領(lǐng)域被廣泛采用，帶寬相對(duì)較高，成本合理。然而，它應(yīng)用于汽車有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，就是無法以時(shí)間敏感模式或確定性模式運(yùn)行。這是由于以太網(wǎng)運(yùn)行所固有的載波偵聽多路訪問／沖突檢測(cè)（CSMA/CD）協(xié)議導(dǎo)致的。

為了使汽車行業(yè)能夠利用以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)制定出一種新的協(xié)議。這種汽車專用協(xié)議版本被稱為10BASE-T1S，它用物理層沖突避免（PLCA）取代了CSMA/CD，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于線控驅(qū)動(dòng)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）至關(guān)重要的確定性運(yùn)行。

由于具備高帶寬和低延遲的特性，汽車以太網(wǎng)越來越廣泛地用于車載信息娛樂系統(tǒng)和ADAS系統(tǒng)。以太網(wǎng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)諸如車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信等連接功能發(fā)揮重要作用，這對(duì)提升安全管理至關(guān)重要。

隨著車輛越來越依賴數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，對(duì)更高帶寬的需求也將不斷增長，以支持自動(dòng)駕駛、高清/4K視頻流和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等先進(jìn)功能。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)必須提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。未來的汽車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備超低延遲，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的快速?zèng)Q策和響應(yīng)。

建立完善的車輛架構(gòu)和成像解決方案

對(duì)于汽車制造商來說，車輛內(nèi)不同子系統(tǒng)的組織和互連是需要考慮的重要因素。通常，子系統(tǒng)按功能（例如，傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤、舒適度）進(jìn)行組織，而與它們?cè)谄囍械奈恢脽o關(guān)。這會(huì)導(dǎo)致布線數(shù)量增多，從而增加車輛的成本和重量。

近來，首選方法是根據(jù)子系統(tǒng)在汽車中的位置將其“分區(qū)”，分區(qū)架構(gòu)兼具擴(kuò)展性和靈活性，能夠相對(duì)輕松地執(zhí)行刪除、添加或升級(jí)子系統(tǒng)等更改。它還允許部署冗余和容錯(cuò)組件，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)所需的功能安全級(jí)別至關(guān)重要。

雖然分區(qū)架構(gòu)的設(shè)計(jì)減少了對(duì)布線的需求，但也顯著增加了車載網(wǎng)絡(luò)骨干傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，需要更高的帶寬、性能和低延遲。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）等ADAS功能，傳感器和控制電子器件遍布整個(gè)汽車，安全可靠的系統(tǒng)運(yùn)行依賴于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN），以消除任何延遲差異。

毫無疑問，具確定性的10BASE-T1S以太網(wǎng)將在未來車輛中發(fā)揮重要作用，特別是在分區(qū)架構(gòu)的骨干網(wǎng)絡(luò)方面。MOST和FlexRay等協(xié)議不太可能在新設(shè)計(jì)中使用，但預(yù)計(jì)LIN和CAN將繼續(xù)發(fā)揮作用，特別是在各個(gè)“分區(qū)”內(nèi)。

此外，還將繼續(xù)進(jìn)一步制定其他協(xié)議，包括MIPI聯(lián)盟的攝像頭串行接口2（CSI-2）和顯示器串行接口（DSI-2），這些協(xié)議對(duì)于當(dāng)今汽車中ADAS和信息娛樂系統(tǒng)連接高分辨率攝像頭、傳感器和顯示器至關(guān)重要。另外，MIPI聯(lián)盟和汽車SerDes聯(lián)盟（ASA）正在開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化SerDes方案，并致力于研究提高M(jìn)IPI協(xié)議的安全性，并實(shí)現(xiàn)攝像頭的非對(duì)稱以太網(wǎng)，其中涉及以高帶寬進(jìn)行發(fā)送、以較低帶寬進(jìn)行接收。但最重要的架構(gòu)變化是CAN將不再作為主要車輛通信骨干的默認(rèn)協(xié)議，而是由以太網(wǎng)承擔(dān)這一角色。

車載網(wǎng)絡(luò)種類的基礎(chǔ)知識(shí)

車載網(wǎng)絡(luò)主要涉及LIN、CAN (FD)、FlexRay和汽車以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。以下將為您介紹相關(guān)的技術(shù)概念。

LIN：

LIN采用12 V架構(gòu)，是基于通用SCI (UART)字節(jié)字接口的單線串行通信協(xié)議，其最大速度可達(dá)20 kb/s（EMC/時(shí)鐘同步），主設(shè)備控制介質(zhì)訪問，負(fù)責(zé)無仲裁或沖突管理，以保證延遲時(shí)間，具有從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步機(jī)制（不需要石英或陶瓷諧振器），可在其他從節(jié)點(diǎn)中未更改硬件／軟件的情況下添加節(jié)點(diǎn)，其通常少于12個(gè)節(jié)點(diǎn)（64個(gè)標(biāo)識(shí)符和相對(duì)較低的傳輸速度）。

LIN物理層的Vsup介于7V和18V之間，由于對(duì)坡度和對(duì)稱性的嚴(yán)格要求，其占空比的最小值為39.6%，最大值為58.1%（總線負(fù)載為1 μs和5 μs之間的時(shí)間常數(shù)：1k/1 nF 660/6.8 nF 500/10 nF），異步振蕩器則擁有小于14%的寬容值。

LIN的通信理念是由主任務(wù)發(fā)起的通信（消息頭），識(shí)別標(biāo)識(shí)符后激活從站任務(wù)，以啟動(dòng)消息響應(yīng)（1-8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)加上1個(gè)校驗(yàn)和字節(jié)），支持?jǐn)?shù)據(jù)正確性的奇偶校驗(yàn)與校驗(yàn)和。

CAN：

CAN（控制器局域網(wǎng)）則是另一種車載網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議之一，在CAN通信中，所有設(shè)備都是平等的，可以隨時(shí)進(jìn)行通信。如果發(fā)生沖突（兩個(gè)設(shè)備同時(shí)通信），則使用仲裁來確保消息被理解。

CAN支持異步通信（事件觸發(fā)），當(dāng)總線安靜時(shí)任何節(jié)點(diǎn)都可以訪問總線，其采用非破壞性仲裁，可100%使用帶寬而不丟失數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級(jí)消息的延遲較大，高優(yōu)先級(jí)消息的延遲較低，支持基于11位（或擴(kuò)展29位）數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)符的可變消息優(yōu)先級(jí)，可進(jìn)行自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)、信號(hào)發(fā)送和重試，CAN使用雙絞線電纜以高達(dá)1 Mb/s的速度與多達(dá)40個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

CAN的物理層總線需要線路端接，ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)將電纜的阻抗定義為120 ± 12 Ω，需要采用屏蔽或非屏蔽雙絞線。CAN總線仲裁時(shí)，如果兩個(gè)消息同時(shí)通過CAN總線發(fā)送，總線將采用信號(hào)的“邏輯AND”，因此，具有最低二進(jìn)制數(shù)的消息標(biāo)識(shí)符獲得最高優(yōu)先級(jí)，每個(gè)設(shè)備都會(huì)偵聽通道，并在發(fā)現(xiàn)總線位與其標(biāo)識(shí)符位不匹配時(shí)退出。CAN支持靈活數(shù)據(jù)速率，為了增加帶寬，引入了CAN靈活數(shù)據(jù)速率作為CAN的擴(kuò)展。

Flexray：

Flexray協(xié)議則與火車時(shí)刻表一樣，總線的所有FlexRay流量均使用時(shí)隙精心安排，其高數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Mb/s，支持時(shí)間和事件觸發(fā)的行為、冗余、容錯(cuò)能力與確定性（使用“時(shí)隙”）。FlexRay可滿足線控應(yīng)用（即線控駕駛、線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)等）的容錯(cuò)性、速度和時(shí)間確定性性能要求。

FlexRay物理層的靜態(tài)段是為按固定周期到達(dá)的確定性數(shù)據(jù)保留的時(shí)隙，動(dòng)態(tài)段則用于更廣泛的不需要確定性的基于事件的數(shù)據(jù)（參考自CAN協(xié)議），其符號(hào)窗口通常用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間則用于維持節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘之間同步的已知“安靜”時(shí)間。

以太網(wǎng)：

以太網(wǎng)則包括100Base-T1、1000Base-T1，采用單雙絞線，支持全雙工，速率可達(dá)100/1000 Mbps，電纜長度至少可達(dá)15 m，采用差分信號(hào)通過電容器耦合到雙絞線中，物理層將位轉(zhuǎn)換為符號(hào)（3位轉(zhuǎn)換為2個(gè)符號(hào)），符號(hào)的值可以是+1、0或-1，對(duì)應(yīng)于三個(gè)不同的差分電壓電平，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，若是更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)則需要交換機(jī)，為了保持同步，即使沒有節(jié)點(diǎn)打算發(fā)送數(shù)據(jù)，通信也會(huì)持續(xù)進(jìn)行。

100Base-T1的物理層鏈路伙伴之一是主站（啟動(dòng)訓(xùn)練），第二個(gè)是從站（使用時(shí)鐘恢復(fù)形式數(shù)據(jù)流將其時(shí)鐘與主站同步）。由于物理層使用PAM3（3位轉(zhuǎn)換為2個(gè)符號(hào)），其波特率為66 MBd/s，可支持兩個(gè)鏈路伙伴同時(shí)傳輸符號(hào)，因此可能會(huì)觀察到5個(gè)不同的差分電壓電平，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可與旁流相結(jié)合，具有擾碼器（偽隨機(jī)流）可實(shí)現(xiàn)更好的EMC性能。

10Base-T1S則是通過單根雙絞線電纜傳輸速率為10 Mbps，長度至少為15 m，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)半雙工通信，可選功能包括全雙工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)操作、半雙工多點(diǎn)（CAN、FlexRay、LIN等總線拓?fù)洌┎僮鳎部蛇M(jìn)行多點(diǎn)操作，支持1個(gè)主站，最多至少8個(gè)從站。主站通過信標(biāo)發(fā)起通信，然后每個(gè)從站都有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，該協(xié)議稱為物理層沖突避免（PLCA）。

安森美深耕車載網(wǎng)絡(luò)提供廣泛產(chǎn)品組合

安森美深耕車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域30余年，擁有廣泛的產(chǎn)品組合，并提供值得信賴的客戶支持和應(yīng)用支持。安森美的產(chǎn)品組合涵蓋現(xiàn)有所有主流的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如LIN、CAN和FlexRay，同時(shí)安森美繼續(xù)提供不斷增強(qiáng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP），以更好地滿足汽車行業(yè)的要求和需求。

隨著10BASE-T1S以太網(wǎng)對(duì)汽車行業(yè)的重要性不斷增加，安森美會(huì)將大部分開發(fā)資源集中于此。繼最近發(fā)布的方案之后，安森美正在開發(fā)具有更高性能的第二代產(chǎn)品，以幫助行業(yè)持續(xù)推動(dòng)分區(qū)架構(gòu)和自動(dòng)駕駛技術(shù)。

憑借30多年為汽車行業(yè)提供支持和完整的AEC合格產(chǎn)品組合，安森美使客戶能夠設(shè)計(jì)高可靠性解決方案，為最終用戶創(chuàng)造價(jià)值，同時(shí)提供峰值性能。安森美在ADAS領(lǐng)域占有重要地位，除了高性能圖像傳感器、激光雷達(dá)探測(cè)器和廣泛的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)外，安森美還提供全面的產(chǎn)品組合，包括電源管理、照明解決方案、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)、參考設(shè)計(jì)、強(qiáng)大而靈活的開發(fā)套件，以及經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用支持，其關(guān)鍵組件均符合ISO-26262/ASIL標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

隨著汽車搭載的電子系統(tǒng)越來越多，車載網(wǎng)絡(luò)的重要性也與日俱增，本文介紹的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將廣泛用于汽車電子系統(tǒng)的連接，提供更多的功能性與更高的安全性。安森美深耕汽車電子領(lǐng)域超過30年，能提供完整的車用電子解決方案，若有更深入的需求，請(qǐng)直接與安森美或艾睿電子聯(lián)系。