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今天的汽車正迅速成為車輪上的數(shù)據(jù)中心
碰撞檢測、車道偏離預(yù)警和自動駕駛等功能已經(jīng)或者即將進(jìn)入市場。這些出色的安全特性需要車輛具備強(qiáng)大的安全數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信和存儲能力。一個典型的例子就是后視或環(huán)視攝像頭系統(tǒng)等高級輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS），它們就需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量。
汽車技術(shù)下一步發(fā)展的行業(yè)口號是“更大帶寬”，以太網(wǎng)/車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）就可以實現(xiàn)這種能力，它可以通過車輛中無處不在的物理網(wǎng)絡(luò)提供高速通信主干。那么，我們要如何實現(xiàn)這一目標(biāo)呢？
接下來，我們將探討各種單對以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并解釋它們?nèi)绾螀f(xié)同工作，為攝像頭視頻、GPS、關(guān)鍵安全系統(tǒng)等各種應(yīng)用構(gòu)建優(yōu)化的車載通信網(wǎng)絡(luò)。
單對以太網(wǎng)（SPE）
圖1：單對以太網(wǎng)，每對雙絞線的傳輸速率為100MBit/s或1GBit/s 具備雙向傳輸能力。（圖源：貿(mào)澤電子）
全球大多數(shù)以太網(wǎng)電纜以傳統(tǒng)的以太網(wǎng)布線方式作為標(biāo)準(zhǔn)，使用兩對線纜來傳輸數(shù)據(jù)；而車載以太網(wǎng)采用的是單對、雙向、雙絞、非屏蔽的布線方式，并通過數(shù)據(jù)線供電（PoDL）技術(shù)，在傳感器和云端之間實現(xiàn)并行、高性能的數(shù)據(jù)和電力傳輸。
這項技術(shù)可以讓電纜的重量更輕、成本更低，并可以減少車輛內(nèi)部空間占用，從而提升燃油效率、簡化安裝過程。
單對以太網(wǎng)技術(shù)基于多項IEEE標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEEE 802.3bw和802.3bp是首批相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別對應(yīng)100BASE-T1和1000BASE-T1技術(shù)，能夠支持100Mbps/15m和1Gbps/40m的速度和距離限制。這些基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)可以輕松滿足未來汽車的需求。
這兩項標(biāo)準(zhǔn)正推動諸多車載創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展，例如車內(nèi)通信、測量與校準(zhǔn)、通過DoIP進(jìn)行診斷，以及電動汽車與充電樁之間的通信等。以太網(wǎng)為車輛提供了靈活的模塊化結(jié)構(gòu)，同時也非常適合車輛中的特定安全解決方案。此外，以太網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)上也具有安全性。
傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)
以太網(wǎng)技術(shù)可用于車內(nèi)通信、測量與校準(zhǔn)，以及通過DoIP進(jìn)行診斷。DoIP通過將診斷信息封裝在以太網(wǎng)幀中，實現(xiàn)診斷測試儀與車輛間通信。使用DoIP訪問車輛時，可通過現(xiàn)有診斷連接器的可自由分配引腳實現(xiàn)向后兼容。DoIP能夠輕松集成到各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，甚至包括WLAN。
車載以太網(wǎng)是一種不同于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，并且要求更高的技術(shù)。所有車規(guī)級以太網(wǎng)產(chǎn)品都需要通過AEC-Q100認(rèn)證，并且要支持汽車行業(yè)的生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（PPAP）。
車載以太網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的一個主要區(qū)別，在于汽車應(yīng)用中的EMC和溫度環(huán)境要嚴(yán)苛得多。此外，車載技術(shù)還需要更高的平均無故障時間（MTBF）以確保更高的可靠性?？芍貜?fù)性/更高的MTBF和可預(yù)測性對于汽車安全至關(guān)重要，因為一旦發(fā)生故障，便可能導(dǎo)致人員傷亡，因而車載應(yīng)用必須符合安全/ASIL（ISO26262）標(biāo)準(zhǔn)。
在某些車載以太網(wǎng)應(yīng)用中，硬件認(rèn)證是必需的。車輛傳動系統(tǒng)通常需要更低的延遲，以便在公路和道路行駛中實現(xiàn)快速反應(yīng)。此外，電子控制單元（ECU）的硬件和軟件也必須進(jìn)行驗證。一輛普通的汽車內(nèi)會安裝100多個ECU，用于控制制動、發(fā)動機(jī)、變速器（傳動系統(tǒng)）、轉(zhuǎn)向、攝像頭、無線通信等各個方面。
圖3：車載16位微控制器（圖源：貿(mào)澤電子）
這些器件設(shè)計用于極端工作條件，即使在極端溫度下也能提供實時響應(yīng)和高可靠性。
當(dāng)今車載技術(shù)
一輛普通的汽車內(nèi)會安裝多種通信系統(tǒng)，包括CAN、LIN和FlexRay等。這些系統(tǒng)將在汽車中繼續(xù)存在一段時間。不過，以太網(wǎng)才是車載網(wǎng)絡(luò)的未來，尤其是單對以太網(wǎng)，它可以在一條鏈路上傳輸比當(dāng)前CAN總線快100倍的數(shù)據(jù)。
根據(jù)IEEE的規(guī)定，到2020年底，所有主要原始設(shè)備制造商（OEM）都應(yīng)在量產(chǎn)車型中采用100BASE-T1規(guī)范，通過非屏蔽電纜實現(xiàn)100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而取代大多數(shù)其他車載通信系統(tǒng)，并有助于降低車輛成本。
100BASE-T1于2013年首次應(yīng)用于量產(chǎn)車型，并于2015年通過IEEE 802.3bw《IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂案1：單對平衡雙絞線電纜100Mb/s傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%B1%82/">物理層規(guī)范和管理參數(shù)（100BASE-T1）》實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。LAN8770就是一款符合100BASE-T1規(guī)范的以太網(wǎng)PHY收發(fā)器。（請參閱以太網(wǎng)評估板EVB-LAN8770-RMII?，這款插件卡可直接連接到匹配的Microchip主機(jī)處理器或控制器板。）
汽車從外部接收的信息越來越多，必須通過快速連接來為終端用戶處理這些數(shù)據(jù)。（來源：BlackBoxGuild - shutterstock.com）
下一代的1Gb/s技術(shù)如今也已應(yīng)用于汽車領(lǐng)域；1000BASE-T1（2016年，IEEE 802.3bp?《IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂案4：單對雙絞線銅纜1Gb/s傳輸?shù)奈锢韺右?guī)范和管理參數(shù)》）和1000BASE-RH（2017年，IEEE 802.3bv?《IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂案9：塑料光纖1000Mb/s傳輸?shù)奈锢韺右?guī)范和管理參數(shù)》）已于2019年啟動首次量產(chǎn)（SOP）活動。
另外兩項新的IEEE標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范速度分別為10Mb/s（IEEE 802.3cg?）和2.5/5/10Gb/s（IEEE 802.3ch?），分別于2019年和2020年發(fā)布。10Gb/s以上的標(biāo)準(zhǔn)化工作（IEEE P802.3cy?和IEEE P802.3cz?）正在進(jìn)行中。
與車載以太網(wǎng)競爭的通信技術(shù)
100Mb/s和1000Mb/s以太網(wǎng)解決了車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）技術(shù)在速度上的明顯差距。然而，車載以太網(wǎng)在各個新的速度等級中都面臨著更多競爭對手：低速方面有FlexRay、各種CAN變體和A2B音頻總線，高速方面則有SerDes、USB和PCIe。通常，專用技術(shù)在初期會具備優(yōu)勢，因為它們針對特定用例和領(lǐng)域進(jìn)行了量身定制和成本優(yōu)化。2.5/5/10G Base-T1將在2025年應(yīng)用于ADAS和自動駕駛汽車，每輛車平均配備100多個以太網(wǎng)端口。
為單一用途開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用于其他用途時，可能會迅速暴露出僵化、高成本的問題。而像以太網(wǎng)這樣的全球標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，會在測試機(jī)構(gòu)、供應(yīng)商、智能工具、培訓(xùn)以及多樣化產(chǎn)品組合等構(gòu)成的認(rèn)證生態(tài)系統(tǒng)支持下不斷發(fā)展，這對于OEM在降低風(fēng)險等方面至關(guān)重要。
車載以太網(wǎng)的前沿技術(shù)解決方案是怎樣的？
IEEE指出：“……車載以太網(wǎng)普及的進(jìn)展是顯而易見的。”全球汽車行業(yè)正在思考標(biāo)準(zhǔn)化車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）基礎(chǔ)和IEEE 802.3以太網(wǎng)以及P802.1DG的發(fā)展方向，這些話題已成為業(yè)界熱點。
所有主要OEM都承諾在量產(chǎn)車型中引入100BASE-T1規(guī)范，通過非屏蔽電纜實現(xiàn)100Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率。全球汽車行業(yè)的決策者們需要共同解決汽車網(wǎng)絡(luò)通信這一難題。以太網(wǎng)很可能成為贏家，因為它可以在所有軟件和協(xié)議棧層面提供理想的解決方案。
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