NEST195A October 2023 – December 2025 DP83TC815-Q1 , DP83TD555J-Q1 , DP83TG720S-Q1
區(qū)域架構(gòu)和乙太網(wǎng)路代表車輛網(wǎng)路的未來。 車輛中的新功能，以及在區(qū)域模組中彙總感測器與致動器的轉(zhuǎn)變，都需要高頻寬及低延遲的車載通訊網(wǎng)路。 實作乙太網(wǎng)路的區(qū)域架構(gòu)可促進(jìn)軟體定義汽車的趨勢成長。
現(xiàn)今大多數(shù)車輛都是使用一種稱為網(wǎng)域架構(gòu)的佈線和電子控制單元 (ECU) 架構(gòu)來製造。 網(wǎng)域架構(gòu)會根據(jù)特定功能將 ECU 分類至各網(wǎng)域，無論其車輛實體位置在何處。
ゾーンア與域架構(gòu)相反，區(qū)域架構(gòu)是按位置而不是按功能來組織通訊、電源分配和負(fù)載控制的，如圖所示。 區(qū)域模組可做為車輛運算系統(tǒng)與智慧感測器和 ECU 等本地邊緣節(jié)點之間的網(wǎng)路資料橋接器。 為了減少車輛中的佈線，區(qū)域模組也會向不同的邊緣節(jié)點分配電力 (透過實作半導(dǎo)體智慧保險絲功能)，處理低階運算並驅(qū)動馬達(dá)和照明等本地負(fù)載。
圖 1 區(qū)域架構(gòu)的範(fàn)例區(qū)域模組透過邊緣節(jié)點通訊網(wǎng)路傳輸來自各種感測器和 ECU 的資料，並透過骨幹通訊將組合的感測器資料轉(zhuǎn)傳到中央運算系統(tǒng)。 同樣地，區(qū)域模組再次透過骨幹通訊、再次透過邊緣節(jié)點通訊網(wǎng)路，將從中央運算系統(tǒng)接收到的資料傳輸?shù)礁鱾€致動器。 這個在中央運算系統(tǒng)和區(qū)域模組之間的雙向通訊，需要高頻寬和低延遲的通訊骨幹來處理像多個先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、攝影機、車輛運動控制和主動調(diào)整頭燈系統(tǒng)來產(chǎn)生的大量資料。
區(qū)域架構(gòu)中的頻寬要求
為瞭解在車輛中使用乙太網(wǎng)路的價值，讓我們按應(yīng)用來細(xì)分乙太網(wǎng)路的使用情況。新定義的單對乙太網(wǎng)路支援 10Mbps 至 10Gbps 的速度，透過電機電子工程師學(xué)會 (IEEE) 802.3cg (10Mbps) ， IEEE 802.3bw (100 Mbps) ， IEEE 802.bu (1Gbps) 和 IEEE 802.3ch (10Gbps) 進(jìn)行定義。 所有這些新的乙太網(wǎng)路技術(shù)都透過單對電纜運作，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá) 15 公尺，足以覆蓋車輛中最長的連結(jié)。 乙太網(wǎng)路也可以使用 IEEE 802.1AS 時間戳記來啟用感測器資料的時間同步功能，進(jìn)而實現(xiàn)低延遲。
雖然乙太網(wǎng)路具有極快的速度，但並非在每一種環(huán)境下都需要這些速度。 例如，與車門控制模組或暖氣、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的通訊不需要 100Mbps 的資料傳輸速率。對於速度較低、頻寬要求不高的用例，10Mbps 乙太網(wǎng)路 PHYDP83TD555J-Q1或替代網(wǎng)路協(xié)定（例如控制器區(qū)域網(wǎng)路 (CAN)）更為合適，同時可以將更高的速度用於將聚合的攝影機和自動駕駛感測器資料從區(qū)域控制模組傳送到中央運算系統(tǒng)。圖 2展示了在區(qū)域架構(gòu)中何時使用不同速度的乙太網(wǎng)路。
圖 2 區(qū)域架構(gòu)中的乙太網(wǎng)路接下來，讓我們仔細(xì)看看雷達(dá)、光達(dá)、攝影機和人體應(yīng)用所使用的通訊速度。當(dāng)雷達(dá)或光達(dá)系統(tǒng)單晶片 (SoC) 處理資料時，通常是 CAN ， 10Mbps 乙太網(wǎng)路或 100Mbps 乙太網(wǎng)路會在僅發(fā)生第一級或第二級資料處理作業(yè)時，將光達(dá)或雷達(dá)資料傳達(dá)到區(qū)域控制模組， 100Mbps 至 1Gbps 乙太網(wǎng)路會將雷達(dá)和光達(dá)資料傳達(dá)到區(qū)域模組或中央電腦。將原始光達(dá)或雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送到中央計算系統(tǒng)進(jìn)行處理，將透過各種感測器的感測器融合提取更多資訊。傳輸如此大量的原始資料需要更高的頻寬，通常是序列/解串器 (SerDes) 協(xié)定或 2.5Gbps 加乙太網(wǎng)路。
對於相機而言，當(dāng) ADAS 資料量增加，需要使用前置相機的所有原始資料進(jìn)行後處理時，SerDes（例如 Flat Panel Display (FPD)-Link）是最合適的協(xié)定。
如果可以壓縮前置鏡頭的數(shù)據(jù)，並且您不需要如此高水準(zhǔn)的 ADAS 數(shù)據(jù)，那麼 100Mbps 乙太網(wǎng)路就是一個替代方案。
車身域模組，例如門把手感測器、車窗升降控制模組和側(cè)視鏡控制模組，傳統(tǒng)上使用 CAN 和本地互連網(wǎng)路 (LIN) 協(xié)定進(jìn)行通信，因為這兩種協(xié)定都不需要高頻寬。雖然設(shè)計人員仍將繼續(xù)使用 CAN 和 LIN，但乙太網(wǎng)路在車輛中的日益普及也為 10Mbps 10BASE-T1S 多點乙太網(wǎng)路創(chuàng)造了空間。傳統(tǒng)上，乙太網(wǎng)路是點對點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但 10BASE-T1S 乙太網(wǎng)路是第一個支援匯流排拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的乙太網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)。
區(qū)域架構(gòu)中的多千兆乙太網(wǎng)路
區(qū)域架構(gòu)的潛在演進(jìn)方向是什麼？它從聚合身體領(lǐng)域數(shù)據(jù)、整合權(quán)力分配和集中計算開始。隨著時間的推移，區(qū)域架構(gòu)將開始聚合來自其他領(lǐng)域（例如 ADAS 和資訊娛樂系統(tǒng)）的資料。最終目標(biāo)是將所有域納入?yún)^(qū)域架構(gòu)。無論資料屬於哪個域，區(qū)域控制模組和中央運算系統(tǒng)仍將使用相同的骨幹通訊網(wǎng)路來傳輸資料。音訊是轉(zhuǎn)移至區(qū)域控制模組的主要目標(biāo)，因為可以透過音訊視訊橋接標(biāo)準(zhǔn)透過乙太網(wǎng)路傳輸音訊資料。
車身網(wǎng)域功能通常需要 10Mbps 以下。但隨著 ADAS 或車內(nèi)資訊娛樂功能（如雷達(dá)，光達(dá)，音訊和攝影機）被整合至區(qū)域架構(gòu)中，速度和頻寬需求必須增加及/或乙太網(wǎng)路骨幹拓?fù)淇赡軙男菭钭兏鼮榄h(huán)狀，以容納關(guān)鍵安全和時效性感測器資料量。
音訊每通道產(chǎn)生約 1.5Mbps ；雷達(dá)感測器通常產(chǎn)生 0.1Mbps 至 15Mbps。光達(dá)產(chǎn)生 20Mbps 至 100Mbps。攝影機產(chǎn)生的速率最高為 500Mbps 至 3.5Gbps?，F(xiàn)今的車輛通常配備四到六個雷達(dá)感測器，一到五個光達(dá)感測器， 12 到 20 個音訊喇叭， 12 到 16 個音訊麥克風(fēng)和六到 12 個攝影機。表 1顯示每種類型生成的數(shù)據(jù)範(fàn)圍。
| 類型 | 產(chǎn)生的數(shù)據(jù) | 傳感器數(shù)量 | 低的 | 中階 | 高的 |
|---|---|---|---|---|---|
| 音訊揚聲器 | 1.5Mbps | 12 至 20 | 3.2Mbps | 24Mbps | 30Mbps |
| 音訊麥克風(fēng) | 1.5Mbps | 12 至 16 | 3.2Mbps | 21Mbps | 24Mbps |
| 雷達(dá) | 0.1 – 15Mbps | 4 至 6 | 0.4Mbps | 35Mbps | 90Mbps |
| 光達(dá) | 20 – 100Mbps | 1 至 5 | 20Mbps | 100Mbps | 500Mbps |
| 攝影機 | 500Mbps - 3.5Gbps | 6 至 12 | 3Gbps | 9Gbps | 42Gbps |
正是由於產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量不斷增長，促使原始設(shè)備製造商 (OEM) 大力推廣 2.5Gbps、5Gbps 和 10Gbps 乙太網(wǎng)路。區(qū)域架構(gòu)需要一個骨幹通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)DAS感測器產(chǎn)生的大量資料傳輸?shù)街醒脒\算系統(tǒng)。未壓縮的相機資料已經(jīng)超出了目前乙太網(wǎng)路的處理能力，而且相機的解析度和像素數(shù)量還在不斷提高。隨著車輛不斷向自動駕駛方向發(fā)展，感測器的數(shù)量將會增加。因此，支援更高相機解析度和感光元件所需的頻寬也將相應(yīng)增長。
由於將不同功能整合到區(qū)域控制模組中的過渡計畫不同，OEM 廠商要求的乙太網(wǎng)路速度很可能會有所不同。內(nèi)部揚聲器上的音訊播放是首批用於以太網(wǎng)主幹的跨域數(shù)據(jù)類型之一。這可能是由於數(shù)據(jù)生成較低導(dǎo)致的，因為 20 個音訊揚聲器通道產(chǎn)生大約 30 Mbps。現(xiàn)有的 100Mbps 或 1Gbps 以太網(wǎng)主幹可以輕鬆適應(yīng)音訊播放數(shù)據(jù)的增加。整體而言，區(qū)域控制模組中的進(jìn)階資料功能越多，頻寬需求就越高。
使用乙太網(wǎng)路作為區(qū)域架構(gòu)的骨幹網(wǎng)，可以讓車輛在連接到互聯(lián)網(wǎng)或遠(yuǎn)端 OEM 伺服器時，透過車載網(wǎng)路傳輸更多資料。這使得可以透過遠(yuǎn)端執(zhí)行韌體空中升級 (FOTA) 更新來實現(xiàn)基於訂閱的服務(wù)和車輛診斷。FOTA 更新允許不同的硬體和軟體更新周期，由於感測器和執(zhí)行器與中央運算節(jié)點的獨立性，這些更新週期可以是非同步的。 FOTA 更新還可以推動額外的功能和提升安全性，而不必等待新模型，也不需將車輛送去維修。 OEM 和客戶都受益，因為 OEM 可以控制在啟動後更新車輛的附加功能，消費者也不會因為前往經(jīng)銷商處更新韌體而感到不便。
區(qū)域架構(gòu)中的 PHY
乙太網(wǎng)路需要使用 PHY 傳輸和接收高速資料。 汽車乙太網(wǎng)路 PHY 消除許多對乙太網(wǎng)路做為車輛佈線骨幹的疑慮，例如在如此不穩(wěn)定的環(huán)境中訊號品質(zhì)不佳。德州儀器 (TI) 的乙太網(wǎng)路 PHY 能夠在 -40°C 至 125°C 的溫度範(fàn)圍內(nèi)工作，符合汽車電子委員會-Q100 1 級標(biāo)準(zhǔn)。
乙太網(wǎng)路 PHY 也必須通過乙太網(wǎng)路合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)，確保符合電磁相容性和電磁干擾的特定互通性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，以及開放行動聯(lián)盟 TC1 和 TC12 標(biāo)準(zhǔn)指定的 IEEE 一致性，以便於在車輛環(huán)境中運作。PHY 具備訊號品質(zhì)指示、時域反射測量和靜電放電感測器等先進(jìn)的診斷功能，能夠偵測錯誤發(fā)生的時間，識別這些故障，並使主機系統(tǒng)能夠主動做出回應(yīng)。 例如，在發(fā)生 ESD 時，PHY 會向 SoC/媒體存取控制傳送中斷訊號，以向其發(fā)出該事件的警示，然後檢查系統(tǒng)中的其他部分。
乙太網(wǎng)路 PHY 也可以使用開放行動聯(lián)盟 TC10 規(guī)範(fàn)的喚醒和睡眠技術(shù)，透過 SPE 電纜喚醒遠(yuǎn)端 ECU，無需使用單獨的電線將 ECU 從睡眠狀態(tài)喚醒。IEEE 802.1AE 媒體存取控制安全 (MACsec) 也可能是一項重要的技術(shù)，用於實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng) ECU 的身份驗證以及加密/解密資料以避免網(wǎng)路攻擊，因為網(wǎng)路攻擊是汽車網(wǎng)路面臨的最大威脅。
其他乙太網(wǎng)路 PHY 包括：
- DP83TC812-Q1DP83TC815-Q1DP83TC814-QDP83TC813-Q1德州儀器 (TI) 的 DP83TC812-Q1、DP83TC815-Q1 和 DP83TC814-Q1 100BASE-T1 PHY 具有適用於豪華汽車的下一代功能，而尺寸更小的 DP83TC813-Q1 100BASE-T1HY 在印刷電路板空間的情況下可能很有吸引力。DP83TG720-Q1 和 DP83TG721-Q1 可將區(qū)域模組連接到中央運算系統(tǒng)和遠(yuǎn)端資訊處理控制單元等資料密集型功能，從而為在後續(xù)型號中添加其他功能留出空間，而無需對線束進(jìn)行大量更改。 這些 PHY 結(jié)合後，為道路上更先進(jìn)、功能更強大的車輛開啟大門。
- TI 的單對乙太網(wǎng)路 PHY 產(chǎn)品組合專為元件封裝或與 TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 針腳對針腳相容而設(shè)計。單板設(shè)計可在未來開發(fā)中升級功能集或頻寬，且無需變更硬體。此方法有助於加速開發(fā)週期，滿足不同 OEM 的要求，並縮短上市時間，從而節(jié)省 R 和 D 成本。
- DP83TD555J-Q1 10BASE-T1S 序列週邊設(shè)備介面 MAC PHY 無縫整合至現(xiàn)有乙太網(wǎng)路骨幹網(wǎng)路，在連接傳統(tǒng) CAN/LIN 邊緣節(jié)點時，免除了協(xié)定轉(zhuǎn)換閘道及其相關(guān)延遲與處理負(fù)擔(dān)。此裝置支援資料線供電，透過單一雙絞纜線傳輸電力和 10Mbps 資料，進(jìn)而降低纜線重量和系統(tǒng)成本。內(nèi)建 PHY 衝突避免功能可為每個網(wǎng)路節(jié)點提供確定性排程，並保證發(fā)送機會，以確?？深A(yù)測的通訊時序。較大的乙太網(wǎng)路訊框酬載可從車輛邊緣的 ECU 擷取更多資料量和更多樣化的資料類型，促進(jìn)進(jìn)階診斷與無線更新，同時維持即時性能。
結(jié)論
汽車乙太網(wǎng)路技術(shù)的進(jìn)步將讓汽車製造商能夠為新車輛提供更多功能與功能。實作乙太網(wǎng)路的區(qū)域架構(gòu)，可透過提供支援下一波自動功能的資料容量，幫助加快轉(zhuǎn)換至軟體定義車輛的速度，在路上打造更安全且更智慧的車輛。
其他資源
- 閱讀白皮書"汽車區(qū)域架構(gòu)中的 TSN ：實現(xiàn)乙太網(wǎng)路環(huán)狀架構(gòu)和 AVB 分散式音訊"，以了解時效性網(wǎng)路如何提升車輛網(wǎng)路的可靠性。
- 有關(guān)區(qū)域架構(gòu)的更多概述，請參閱白皮書區(qū)域架構(gòu)如何為完全軟體定義的車輛鋪路。
- 有關(guān) Open Alliance TC10 規(guī)範(fàn)的更多信息，請參閱應(yīng)用筆記“DP83TC812-Q1 TC10 系統(tǒng)時序測量”。