【導(dǎo)讀】隨著軟件定義汽車加速落地，高效、精簡、適配車載場景的通信技術(shù)成為行業(yè)核心訴求。10BASE-T1S作為專為車載與工業(yè)場景打造的以太網(wǎng)技術(shù)，為破解車載網(wǎng)絡(luò)瓶頸統(tǒng)一提供了關(guān)鍵方案。本系列將分兩篇為您深度拆解安森美（onsemi）最新的10BASE-T1S技術(shù)白皮書。本文為第一篇，將聚焦架構(gòu)演進(jìn)與10BASE-T1S的核心價值。
(一) 區(qū)域控制架構(gòu)
如今的汽車均需搭載精密復(fù)雜的電子通信網(wǎng)絡(luò)。與辦公場景中網(wǎng)線可隱匿于地毯之下、接口線纜便于手持布設(shè)不同，車載網(wǎng)絡(luò)（IVN）的部署會受到更多物理條件的制約。
區(qū)域控制架構(gòu)是工程師在物理空間極為受限的環(huán)境下實現(xiàn)電子器件間通信以支持大量并發(fā)電子功能的技術(shù)方案。各個電子功能會依據(jù)其在車內(nèi)的相對鄰近程度進(jìn)行分組。
圖1：經(jīng)優(yōu)化的區(qū)域控制架構(gòu)圖
圖1展示了現(xiàn)代汽車中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在傳統(tǒng)的域架構(gòu)中，車輛各項功能均配備獨立的電子控制單元（ECU），整車ECU數(shù)量多達(dá)85-100個；而區(qū)域控制架構(gòu)可將ECU數(shù)量大幅縮減至20個左右。
激光雷達(dá)成像、車道偏離影像、防撞系統(tǒng)及先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等需要更高帶寬的功能，由中央?yún)^(qū)域控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)。ADAS通過邊緣傳感器采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車道偏離預(yù)警、防撞、盲區(qū)監(jiān)測及泊車輔助等功能。從網(wǎng)絡(luò)主干向邊緣節(jié)點延伸，在越靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的區(qū)域控制器處，應(yīng)用所需的帶寬就越少。通過這種方式對功能進(jìn)行聚類，低帶寬功能（例如門鎖傳感器）就不會對高帶寬功能（例如視頻圖像處理）造成瓶頸。在區(qū)域控制架構(gòu)問世之前，這類瓶頸問題一直是行業(yè)內(nèi)的重要技術(shù)難題。
(二) 對精簡型以太網(wǎng)的需求
圖2：經(jīng)典的辦公室間以太網(wǎng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[圖表由Umapathy提供，遵循Creative Commons3.0許可協(xié)議]
為保障效率，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能采用端到端統(tǒng)一協(xié)議，避免因不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換而顯著增加成本與復(fù)雜度。汽車整車廠商（OEM）一致認(rèn)為：以太網(wǎng)是實現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議統(tǒng)一的理想選擇。
以太網(wǎng)最初面向辦公設(shè)備共享場景設(shè)計，后續(xù)演進(jìn)為圖2所示的星型拓?fù)潼c對點通信模式；因此，需對以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)補充，以適配車載網(wǎng)絡(luò)的需求。若將網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備均連接至同一個中央交換機(jī)，會導(dǎo)致線纜數(shù)量過多，進(jìn)而增加整車重量。
圖3：基本的CAN多點總線配置，兩端各連接一個120Ω電阻[圖表由Stefan-Xp提供，遵循Creative Commons3.0許可協(xié)議]
控制器局域網(wǎng)（CAN）之所以長期成為車載網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議，核心優(yōu)勢在于其高性價比及如圖3所示的多點總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用CAN協(xié)議時，工程師無需將各邊緣器件逐一連接至中央交換機(jī)，而是可將一組器件（即傳統(tǒng)架構(gòu)中的“域”）掛載在同一條“共用線路”上實現(xiàn)通信。
然而，將邊緣的CAN與以太網(wǎng)骨干網(wǎng)連接起來，會增加網(wǎng)絡(luò)的整體復(fù)雜度，“CAN+以太網(wǎng)”的模式需要增設(shè)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)與連接器等硬件。
(三) 10BASE-T1S如何消除瓶頸
圖4：三臺設(shè)備共享一條公共總線的10BASE-T1S配置，通過雙絞線連接器同時傳輸電力與網(wǎng)絡(luò)信號
10BASE-T1S是10BASE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化版本，專為滿足車載及工業(yè)場景的聯(lián)網(wǎng)需求而擴(kuò)展。如圖4所示，10BASE-T1S節(jié)點可通過單對雙絞線以多點總線形式實現(xiàn)共享通信，既無需部署以太網(wǎng)交換機(jī)，也可徹底省去大體積的以太網(wǎng)/CAN網(wǎng)關(guān)。
圖5：10BASE-T1S控制器的三種器件配置選項及其連接方式
基于10BASE-T1S的網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均包含主機(jī)（通常為MCU）和某種形式的以太網(wǎng)收發(fā)器或控制器。如圖5所示，10BASE-T1S控制器的功能分配可通過三種方案實現(xiàn)，對應(yīng)其三大核心功能類別。
媒體訪問控制（MAC）是實現(xiàn)OSI模型第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）功能的數(shù)字邏輯，負(fù)責(zé)幀格式、尋址和媒體訪問規(guī)則，保障以太網(wǎng)通信正常運行。
物理層器件（PHY）是實現(xiàn)以太網(wǎng)OSI模型第1層的組件，負(fù)責(zé)將MAC輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理介質(zhì)上的電信號或光信號，反之亦然。
物理介質(zhì)相關(guān)（PMD）子層直接與物理傳輸介質(zhì)對接，在10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)中為單對布線。它位于物理層的最底層，負(fù)責(zé)完成數(shù)字符號到線路實際信號轉(zhuǎn)換所需的各種模擬與電氣處理。
在10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)中，工程師通常根據(jù)成本與功能的綜合權(quán)衡，選用最契合需求的MCU。依據(jù)MCU中以太網(wǎng)相關(guān)功能的可用性，可選擇如圖5所示的三種收發(fā)器解決方案之一。若選用已集成MAC及PHY數(shù)字功能（PCS與PMA）的MCU，只需搭配圖5最右側(cè)方案中的PMD收發(fā)器，即可構(gòu)成完整解決方案。由于微控制器普遍采用小特征尺寸工藝制造，將以太網(wǎng)數(shù)字器件集成于MCU內(nèi)部，有利于降低成本。此外，該方案需要的引腳數(shù)最少，僅需3個引腳即可將PMD與微控制器連接。
若采用集成了以太網(wǎng)MAC功能的現(xiàn)成器件，則可優(yōu)先選用圖中的中間方案。此類器件支持符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的媒體獨立接口（MII），物理層器件可通過相同的MII與上層（MAC）進(jìn)行通信。雖然這種解決方案最多需要18個引腳，是引腳數(shù)量最多的配置，但仍可借助現(xiàn)成器件的成本優(yōu)勢實現(xiàn)整體方案降本。
若所選的MCU未集成任何以太網(wǎng)功能，則可采用圖5最左側(cè)的MAC-PHY一體化器件來提供構(gòu)建完整以太網(wǎng)節(jié)點所需的全部功能。為了方便使用，此類MAC-PHY采用標(biāo)準(zhǔn)化的5引腳SPI接口，可兼容市面上許多低成本的MCU。MCU只需支持SPI接口即可確保運行頻率不低于15MHz，另外需要一個GPIO作為MAC-PHY器件的中斷信號源。
10BASE-T1S支持上述所有方案，便于工程師根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，靈活選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)方式。
未完待續(xù)，下一篇推文將解鎖安森美10BASE-T1S芯片的硬核黑科技，深度拆解它的獨家技術(shù)特性與超強(qiáng)功能優(yōu)勢。
