汽車網絡的演變：從特定領域到基于以太網的區域架構

長期以來，汽車一直是整個世界復雜性和創新性的縮影。現代汽車如今已成為高性能計算平臺，能夠處理海量數據，本質上就像車輪上的數據中心。這些汽車控制著眾多子系統，這些子系統相互依賴信息，實現高度自動化，并通過各種傳感器和執行器與物理世界進行交互。

最初，這些子系統采用針對特定功能優化的通信技術，即所謂的領域專用硬件架構。這種方法需要多個應用專用總線在不同域之間傳輸數據，因此需要網關計算機在各種硬件架構之間轉換信息。由于需要管理多達 20 種網絡標準，汽車制造商尋求一種更精簡的解決方案，為其通信基礎設施提供一個通用平臺。

過渡到基于以太網的區域架構

汽車行業目前正在從這些舊式網絡架構過渡到基于以太網的單一主干網。這種轉變使得車輛能夠被劃分成不同的“區域”，從而能夠通過基于 IP 的、無處不在的以太網更輕松地與集中式計算平臺進行交互。汽車制造商與 IEEE 合作，幫助定義了一個物理層，該物理層只需要一對平衡線，而不是之前以太網安裝中常見的 2 對或 4 對線。下圖 1 展示了從特定領域的硬件架構到具有集中式計算平臺的區域架構的過渡。

圖 1：從特定領域到區域架構的網絡大趨勢

向基于以太網的區域架構的過渡代表著汽車設計和功能的重大飛躍。通過采用單一通信技術，汽車制造商可以簡化車輛內部網絡，降低維護多種通信標準所帶來的復雜性和成本。這種簡化的方法不僅提升了車輛性能，也為更先進的功能和性能鋪平了道路。

通用數據框架的好處

統一的數據框架使車輛系統和功能能夠通過軟件定義，從而降低延遲和復雜性。隨著安全需求的不斷增長，標準化機制可以對網絡參與者進行身份驗證并根據需要加密信息。以前的通信總線缺乏安全功能，需要采用多種方法來緩解安全威脅。

通用數據框架的優勢遠不止安全性和效率。通過標準化車輛內部的通信協議，汽車制造商可以更輕松地集成新技術和功能。隨著自動駕駛、電動汽車（EV）和車聯網技術的不斷進步，汽車行業不斷發展，這種靈活性至關重要。通用數據框架確保這些創新能夠無縫融入車輛架構，從而提供更具凝聚力和集成度的駕駛體驗。

簡化的軟件升級

使用通用網絡可以簡化軟件升級，使設計人員能夠使用單一方法部署更新，而無需為不同的數據鏈路定義方法。簡化軟件升級的能力將徹底改變汽車行業的格局。隨著汽車越來越依賴軟件驅動，定期更新和增強功能的需求也日益重要。通用網絡基礎設施支持無線（OTA）更新，使汽車制造商無需前往經銷商即可部署新功能、修復錯誤并提升性能。這不僅提升了客戶體驗，還降低了維護成本和停機時間。

10BASE-T1S 以太網：連接數字世界和物理世界

以太網的概念已存在 50 年，IEEE?規范于 40 年前發布，主要用于在計算機之間傳輸大量數據。然而，數字計算世界與汽車物理世界之間的接口仍然依賴于硬件，并且針對特定領域。為了解決這個問題，10BASE-T1S 以太網應運而生。

10BASE-T1S 以太網是一種多點總線，使用單對線纜作為主干。傳感器和執行器直接連接到該線纜，無需使用以太網交換機連接多個設備。當數據接收并需要發送到更高速的互連時，只需一個帶有 10BASE-T1S 端口和其他更高速端口的簡單交換機即可。無需特殊的轉換網關，因為以太網網絡上的每個設備都使用相同的以太網幀格式。

10BASE-T1S 以太網的開發標志著汽車網絡發展史上的一個重要里程碑。通過提供標準化且高效的傳感器和執行器連接方式，10BASE-T1S 以太網彌合了數字世界與物理世界之間的鴻溝。該技術可實現實時數據處理和通信，使車輛能夠更快、更準確地響應不斷變化的路況。10BASE-T1S 以太網確保車輛各系統無縫協作。圖 2 展示了這一概念的工作原理。

圖 2：區域架構與域架構

實際應用：演示

為了展示 10BASE-T1S 以太網的實際應用，Microchip開發了一個演示，展示如何使用該技術連接車輛內的各種傳感器和執行器。該演示包含壓力、接近、光線和其他傳感器，它們可以捕獲真實世界的數據，然后由集中式計算平臺進行處理。處理后的數據用于控制電機、風扇、燈光和顯示器，進而與物理世界進行交互。圖 3 展示了演示板。

圖 3：多傳感器和執行器演示

這種設置不僅凸顯了 10BASE-T1S 以太網的多功能性，也凸顯了其簡化車輛通信系統設計和實施的潛力。10BASE-T1S 以太網使用單對多點總線，無需以太網交換機即可連接眾多傳感器和執行器。當數據在網絡中流動時，一個帶有 10BASE-T1S 端口的簡單交換機即可連接更高速的連接，從而在整個系統中保持以太網幀格式的一致性。

為汽車制造商帶來巨大利益

使用單一協議實現大多數功能，對于必須支持多種特定應用標準的汽車制造商來說，具有顯著優勢。每年的車型都會對高級駕駛輔助系統（ADAS）進行增強，這通常需要在未來配備新的攝像頭、雷達、超聲波傳感器和激光雷達，以及對信息娛樂和導航系統進行更新。汽車的其他部件也會逐步增強，有時僅增加新的軟件功能。

如今，車輛可能配備 40 種不同的線束、數十甚至數百個電子控制單元（ECU），以及長達數英里、重達 250 磅的電線。不同應用所需的各種電纜也帶來了電磁兼容性（EMC）挑戰，因為每種應用都有其獨特的要求。

轉向單一協議簡化了車輛的內部架構，減少了所需的線束和ECU數量。這不僅減輕了重量和復雜性，還提高了可靠性和維護的便捷性。由于需要管理的組件減少，汽車制造商可以專注于提升車輛的性能和功能，從而提供更佳的整體駕駛體驗。

滿足未來需求

為了滿足未來汽車的需求，未來汽車的代碼行數將很快從目前的一億行增加到數億行，汽車行業正在向基于以太網的區域電子/電氣（E/E）架構轉型。該架構將傳感器聚合到從區域網關到主干網和中央計算平臺的單一鏈路中。

為了支持現代車輛日益復雜的特性，過渡到基于以太網的區域 E/E 架構至關重要。隨著傳感器、執行器和電子系統數量的不斷增長，可擴展且高效的網絡基礎設施變得至關重要。以太網提供處理這些系統產生的海量數據所需的帶寬和靈活性，確保車輛平穩高效地運行。

隨著行業的不斷發展，基于以太網的架構的采用將在塑造汽車技術的未來方面發揮關鍵作用，確保車輛保持互聯、高效和創新。統一車輛通信架構最初只是一個概念，如今即將成為現實。目前道路上的一些車輛已經將以太網用作其IT架構，而采用擴展到物理數字接口的全新分區架構的車型即將投入生產。這種方法不僅簡化了車輛設計，還為軟件驅動的創新開辟了新的可能，因為曾經由硬件定義的功能現在可以通過軟件實現和更新。

超越汽車：以太網的廣泛應用

以太網的優勢不僅限于汽車行業。工業應用也開始采用這項技術，這得益于對更高效、可擴展通信解決方案的需求。隨著以太網在汽車以外的領域日益普及，規模經濟將有助于降低成本，使其更易于普及，并吸引更廣泛的應用。此外，隨著關于如何構建和實施基于以太網的系統的知識不斷擴展，在各個行業開發和部署這些系統將變得更加容易。

從本質上講，以太網（特別是 10BASE-T1S 以太網）的采用，是汽車技術中融合虛擬世界和現實世界的關鍵一步。這項技術不僅能夠實現未來車輛比以往任何時候都更智能、更安全、更互聯互通，而且還為跨多個領域的更廣泛創新奠定了基礎。

以太網從IT到汽車應用的演變歷程，充分證明了標準化的力量以及跨行業合作推動技術進步的潛力。隨著汽車行業的不斷發展，以太網將在塑造未來汽車方面發揮關鍵作用，開創一個以效率、安全和互聯為核心的全新出行時代。