作者：安森美模擬與混合信號事業(yè)部，資深市場營銷經理Min Su You

隨著車輛愈發(fā)先進，有助于提升道路安全性能、提供駕駛輔助功能以及提高能效，其底層技術的重要性也隨之增加。無論是傳統(tǒng)的內燃機（ICE）驅動車輛、混合動力汽車還是純電動汽車，汽車設計中都包含了數十種傳感器、微控制器及執(zhí)行器，所有這些器件都會產生或處理大量的數據。
?
現代車輛不僅僅是一種交通工具，更是車輪上的先進計算平臺。與所有計算系統(tǒng)一樣，有效傳輸數據的能力對于這類系統(tǒng)的平穩(wěn)運行和安全操作至關重要。
?
常用車載網絡技術（IVN）
?
電子技術在車輛中已應用數十年，提供了許多實用功能，通常是為了增強安全性或娛樂性。在早期，這些功能很多都是獨立存在的，既不向車輛的其他系統(tǒng)提供數據，也不依賴于其他系統(tǒng)產生的數據。然而，隨著技術的進步，集成化帶來的優(yōu)勢逐漸顯現，汽車專用的網絡技術隨之應運而生。
?
在車輛中普遍采用的協(xié)議包括LIN總線（Local Interconnect Network, LIN）、CAN總線（Controller Area Network, CAN/CAN-FD）、FlexRay總線以及MOST總線（Media Oriented System Transport, MOST）。雖然每種解決方案都有其獨特之處，并可滿足不同的設計考量，但更重要的是，這些現有的技術方案難以滿足現代車輛日益增長的需求。
?
LIN總線是一項成本效益高的技術，對于低數據速率（<20kbps）的應用場景來說易于實施和部署。然而，由于其帶寬有限，并且系統(tǒng)節(jié)點數量被限制在12個以內，這限制了它在現代車輛中的價值。
?
CAN總線（以及后續(xù)迭代版本如CAN-FD）因其非常穩(wěn)定可靠且相對不受電氣干擾和噪聲影響，在車輛和其他安全關鍵系統(tǒng)中得到了廣泛應用。然而，有限的帶寬（通常約為2Mbps）限制了它在某些數據密集型應用（如信息娛樂系統(tǒng)和攝像頭）中的使用，同時也限制了節(jié)點的數量。目前，新的CAN-XL標準正在開發(fā)中，以處理更高速度并具備與以太網銜接的能力，但對于許多工程師來說，直接過渡到全以太網解決方案看起來更具吸引力。
?
FlexRay總線提供了精確的時序和同步功能，使其適用于諸如線控驅動等時間關鍵型應用。然而，與其他方式相比，復雜性限制了其普及程度。
?
MOST總線 僅用于信息娛樂系統(tǒng)，其適用性有限且成本高昂，因此隨著該技術的逐步淘汰，已被其他解決方案所取代。
?
以太網被許多人視為替代現有多種解決方案的理想選擇，它可以提供高帶寬和低延遲的通信能力。然而，現行的以太網協(xié)議存在一個問題，即其固有的載波偵聽多路訪問/沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）機制，這意味著無法實現確定性操作，從而不適用于任何時間敏感的應用場景，比如線控驅動等。此外，以太網技術的成本也是一個問題。然而，考慮到以太網的巨大潛力，現在已經出現了如10BASE-T1S這樣的確定性協(xié)議，它包含了物理層沖突避免（Physical Layer Collision Avoidance, PLCA）機制（參見圖1），為時間關鍵型應用提供了所需的性能。此外，汽車以太網設備的成本正在迅速下降，這使得更多的汽車制造商能夠應用高帶寬特性。
?

?
圖1：在PLCA周期中，每個“從設備”發(fā)送數據之前，“主設備”會通過一個“BEACON”信號開始通信，從而避免沖突和相關的重傳開銷。
?
以太網在 OPEN 聯盟等組織的推動下不斷發(fā)展，以滿足現代汽車日益增長的帶寬需求。新標準（如 IEEE P802.3dh）使未來車輛中的光纖應用成為可能，用以支持低延遲 4K 視頻和增強現實等要求極苛刻的技術。
?
包括藍牙?、Wi-Fi 和移動通信在內的無線協(xié)議通常用于駕駛員和乘客連接他們的移動設備。無線通信的主要需求源于其能夠在有線連接無法實現的情況下完成某些功能，例如胎壓監(jiān)測（TPMS）和無鑰匙進入（僅舉兩例）。然而，隨著 "車聯網"（V2X）技術的發(fā)展，車輛可以與其他車輛及其周圍環(huán)境進行通信，對無線通信的需求也進一步增加，但隨之而來的是對更高安全性的需求。
?
車輛架構
?
由于車輛內部遍布著眾多子系統(tǒng)和傳感器，汽車制造商必須謹慎選擇車輛架構。主要有兩種選擇——域（domain）架構或區(qū)域控制(zonal)架構?，F有的基于域的架構將具有相似功能的部分（例如，傳動系統(tǒng)、底盤和舒適性）組合在一起——盡管它們的位置可能分散在車輛的各個部位，這需要更多的布線，也增加了重量和成本。
?
為了避免這一問題，許多汽車制造商現在更傾向于采用區(qū)域控制架構的方法，即盡管功能不同，但仍將位置相近的子系統(tǒng)分組。因此，可以指定“右前”、“左后”等區(qū)域。雖然這種方法減少了布線需求，但也會在各區(qū)之間的車輛通信 "主干 "上增加數據量，因此要求車載網絡具有更高的性能和帶寬。
?
通常情況下，每個分區(qū)都高度集成了專用計算資源，通過高速（和確定性）通信主干網與主 CPU 連接，以支持先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和線控驅動等實時應用。采用區(qū)域控制架構使車輛功能和特性的集成、移除或升級提供了更大的靈活性。它易于擴展并適應不斷變化的需求。
?
雖然區(qū)域控制架構有可能帶來諸多好處，但其實施也會導致對車載網絡性能需求的增加。這主要是由于需要更高的數據流量、低延遲、冗余、可擴展性支持以及更好的安全性和診斷功能。
?
功能安全
?
隨著車輛的自動化程度越來越高，對功能安全和冗余措施的需求也在增強。越來越多的系統(tǒng)要求符合更高的ISO26262汽車安全完整性等級（ASIL），隨著駕駛員越來越依賴車輛自身做出的決策和采取的行動，安全等級要求正從A級和B級向更為嚴格的C級和D級組件過渡。功能安全涵蓋了從概念設計到車輛最終退役的所有設計環(huán)節(jié)。
?
毫無疑問，這對整個車輛結構以及車載網絡都有著重大影響。對于自動緊急制動和自適應巡航等高性能 ADAS 功能而言，低延遲數據傳輸至關重要。要實現功能安全合規(guī)性，就必須在傳感器和通信路徑上部署冗余以及精密的容錯機制。
?
雖然所有車輛的安全關鍵功能都需要時間敏感型網絡（TSN），但向區(qū)域控制架構的轉變增強了這種需求。時序的精確調整和延遲補償對于確保 ADAS 功能的正確運行至關重要，尤其是當圖像傳感器、激光雷達模塊和電子控制系統(tǒng)等元件分布在車輛的不同區(qū)域時。即使是在不同區(qū)域使用麥克風進行降噪等應用，也需要 TSN 才能有效工作。在以太網解決方案方面，現有的 TSN 以太網協(xié)議可重新用于汽車用途。
?
在圖像傳感器和攝像頭接口方面，MIPI CSI-2（攝像頭串行接口）和 DSI-2（顯示串行接口）支持高速數據傳輸，是攝像頭系統(tǒng)、顯示屏和信息娛樂系統(tǒng)之間傳輸大量數據的理想選擇。移動產業(yè)處理器接口聯盟（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）和汽車串行/解串通信技術聯盟（Automotive Serdes Alliance，ASA）正在進一步開發(fā)一種標準化的 串行/解串（SerDes）解決方案。最終，ASA 運動連接技術（ASA ML）將獲準與 MIPI CSI-2 集成。在這一合作中，還對增強 MIPI 協(xié)議的安全性和用于攝像頭的非對稱以太網（高帶寬傳輸，低帶寬接收）進行了研究。
?
安森美（onsemi）在車載網絡（IVN）中的角色
?
安森美在車載網絡領域擁有超過三十年的豐富經驗，提供創(chuàng)新產品和一流的應用支持。目前，解決方案組合以許多現有的車載網絡技術為基礎，包括LIN、CAN和FlexRay。未來幾年，將陸續(xù)發(fā)布LIN和CAN產品的增強版本，由于對FlexRay的發(fā)展預期不樂觀，所以對該協(xié)議的投資即使有，也不會太多。
?
顯然，10BASE-T1S 以太網將是汽車行業(yè)的一個重點領域。安森美已經推出了首批產品，目前正在為這一重要協(xié)議開發(fā)第二代產品組合。隨著大多數汽車制造商預計采用區(qū)域控制架構，10BASE-T1S 將成為未來汽車通信的基本組成部分。對于要求高吞吐量、高帶寬和高安全性的應用（如 ADAS 功能，包括完全自動駕駛）來說，尤其如此。
?
盡管以太網在車輛應用中具有明顯的優(yōu)勢，但在對通信速率要求不高的場景（如車窗開啟、后視鏡折疊、調整座椅等）仍將繼續(xù)使用現有協(xié)議（如 LIN 和 CAN）。不過，我們已經看到以太網正在取代 CAN 的部分市場份額，預計到明年，以太網將成為低延遲和高帶寬通信的首選技術。
?
總結
?
如今，車輛性能已不再取決于其行駛速度，而更多地取決于車載網絡在 "車輪上的計算平臺 "中數據傳輸的速度。
?
雖然 LIN 和 CAN 等傳統(tǒng)協(xié)議將繼續(xù)發(fā)揮有限的作用，但 MOST 和 FlexRay 等一些協(xié)議將逐步淘汰。由于區(qū)域控制架構降低了布線的成本和重量，將成為首選，但還需要應用 TSN 和更大的帶寬，特別是在區(qū)域之間的主干網上。
?
確定性以太網（10BASE-T1S）將發(fā)揮重要作用，在不久的將來成為許多汽車制造商默認的 "首選 "技術。該技術的廣泛應用將推動車載網絡標準化程度的提高，實現全自動駕駛所需的創(chuàng)新解決方案也成為可能。此外，目前只有以太網解決方案才能推進提高車輛安全性和先進自動駕駛系統(tǒng)的實現。
?
幾十年來，安森美一直在汽車技術領域發(fā)揮著重要作用，尤其是在車載網絡方面。雖然 LIN 和 CAN 在器件方面將繼續(xù)取得進展，但安森美目前的主要重點是開發(fā)更豐富的 10BASE-T1S 以太網解決方案，為汽車行業(yè)提供滿足下一代汽車應用所需的高性能元器件。
?
?
?