ZHDT005A October 2023 – December 2025 DP83TC815-Q1 , DP83TD555J-Q1 , DP83TG720S-Q1
區(qū)域架構(gòu)和以太網(wǎng)代表著車載網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向。車輛的新功能以及將傳感器和執(zhí)行器整合至區(qū)域控制模塊的架構(gòu)轉(zhuǎn)型，均需要一套高帶寬、低延遲的車載通信網(wǎng)絡(luò)。采用以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)能推動(dòng)軟件定義車輛的發(fā)展。
當(dāng)今的大多數(shù)車輛都使用稱為域架構(gòu)的接線和電子控制單元 (ECU) 架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建。域架構(gòu)依據(jù)特定功能將 ECU 劃分為不同功能域，而不考慮其在車內(nèi)的物理位置。
與域架構(gòu)相比、區(qū)域架構(gòu)按位置而不是功能來組織通信、配電和負(fù)載控制，如所示 圖 1。區(qū)域控制模塊作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)橋接器，連接車輛計(jì)算系統(tǒng)與智能傳感器、ECU 等本地邊緣節(jié)點(diǎn)。為減少車內(nèi)布線，區(qū)域控制模塊還將通過實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體智能熔斷功能向不同邊緣節(jié)點(diǎn)分配電力，處理低級(jí)計(jì)算任務(wù)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)和照明等本地負(fù)載。
圖 1 區(qū)域架構(gòu)示例區(qū)域控制模塊通過邊緣節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸來自各類傳感器和 ECU 的數(shù)據(jù)，并將整合后的傳感器數(shù)據(jù)通過主干通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至中央計(jì)算系統(tǒng)。同樣地，區(qū)域控制模塊通過主干通信網(wǎng)絡(luò)，再次經(jīng)由邊緣節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，將從中央計(jì)算系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)傳輸至各類執(zhí)行器。中央計(jì)算系統(tǒng)與區(qū)域控制模塊間的雙向通信需依托高帶寬、低延遲的主干網(wǎng)絡(luò)，以處理多傳感器高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、車輛運(yùn)動(dòng)控制及自適應(yīng)駕駛光束等功能產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。
區(qū)域架構(gòu)中的帶寬要求
為理解車載以太網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值，我們按功能場(chǎng)景細(xì)分其應(yīng)用場(chǎng)景。新確定的單對(duì)以太網(wǎng)支持 10Mbps 至 10Gbps 速率，具體通過以下標(biāo)準(zhǔn)定義：電氣電子工程師學(xué)會(huì) (IEEE) 802.3cg (10Mbps)、IEEE 802.3bw (100 Mbps)、IEEE 802.bu (1Gbps) 和 IEEE 802.3ch (10Gbps)。所有這些新型以太網(wǎng)技術(shù)均可通過單對(duì)線纜傳輸，通信距離可達(dá) 15m，足以覆蓋車輛中最長(zhǎng)的連接鏈路。以太網(wǎng)還能通過 IEEE 802.1AS 時(shí)間戳技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，從而降低延遲。
盡管以太網(wǎng)具備極高的傳輸速度，但并非所有場(chǎng)景都需如此高速。例如，與車門控制模塊或暖通空調(diào)系統(tǒng)通信時(shí)，并不需要 100Mbps 的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于低速率和低帶寬需求的場(chǎng)景，采用 DP83TD555J-Q1 等 10Mbps 以太網(wǎng) PHY 或控制器局域網(wǎng) (CAN) 替代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更為適宜，而高速率則可用于將區(qū)域控制模塊聚合的攝像頭及自動(dòng)駕駛傳感器數(shù)據(jù)傳輸至中央計(jì)算系統(tǒng)。圖 2 圖示說明了區(qū)域架構(gòu)中不同以太網(wǎng)速率的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖 2 區(qū)域架構(gòu)中的以太網(wǎng)使用 圖 2，讓我們深入探討雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和車身應(yīng)用中采用的通信速率。當(dāng)雷達(dá)或激光雷達(dá)片上系統(tǒng) (SoC) 處理數(shù)據(jù)時(shí)，通常通過 CAN、10Mbps 以太網(wǎng)或 100Mbps 以太網(wǎng)將激光雷達(dá)或雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸至區(qū)域控制模塊。當(dāng)僅進(jìn)行一級(jí)或二級(jí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，則通過 100Mbps 至 1Gbps 以太網(wǎng)將雷達(dá)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸至區(qū)域模塊或中央計(jì)算機(jī)。將原始激光雷達(dá)或雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)送到中央計(jì)算系統(tǒng)時(shí)，可通過多傳感器融合技術(shù)提取更多信息。傳輸如此海量的原始數(shù)據(jù)需要更高帶寬，通常采用串行/解串行器 (SerDes) 協(xié)議或 2.5Gbps 以上以太網(wǎng)。
在攝像頭領(lǐng)域，當(dāng) ADAS 的數(shù)據(jù)量提升，需要前視攝像頭輸出的全部原始數(shù)據(jù)以進(jìn)行后續(xù)處理時(shí)，像平板顯示鏈路 (FPD) 這類 SerDes 便是最合適的協(xié)議。
若前視攝像頭數(shù)據(jù)可壓縮且無(wú)需增強(qiáng)級(jí) ADAS 數(shù)據(jù)，則 100Mbps 以太網(wǎng)可作為替代方案。
車門把手傳感器、車窗升降控制模塊和側(cè)后視鏡控制模塊等車身域模塊以前使用 CAN 和本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 協(xié)議進(jìn)行通信，因其無(wú)需高帶寬支持。雖然設(shè)計(jì)人員將繼續(xù)使用 CAN 和 LIN，但以太網(wǎng)在車輛中的日益普及也為 10Mbps 10BASE-T1S 多點(diǎn)以太網(wǎng)創(chuàng)造了應(yīng)用空間。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而 10BASE-T1S 以太網(wǎng)則是首個(gè)支持總線拓?fù)涔δ艿囊蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
區(qū)域架構(gòu)中的數(shù)千兆位以太網(wǎng)
區(qū)域架構(gòu)的潛在演進(jìn)路徑是什么？首先整合車身域數(shù)據(jù)，納入電力分配系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算集中化。隨著時(shí)間的推移，區(qū)域架構(gòu)將開始聚合來自 ADAS 和信息娛樂系統(tǒng)等其他域的數(shù)據(jù)。最終目標(biāo)是將所有域整合到區(qū)域架構(gòu)中。無(wú)論數(shù)據(jù)源自何種域，區(qū)域控制模塊與中央計(jì)算系統(tǒng)仍將通過同一主干通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。音頻數(shù)據(jù)是遷移至區(qū)域控制模塊的首要目標(biāo)，因其可借助音視頻橋接標(biāo)準(zhǔn)通過以太網(wǎng)傳輸。
車身域功能通常需要 10Mbps 或更低的速率。但是，隨著 ADAS 或車載信息娛樂功能（如雷達(dá)、激光雷達(dá)、音頻和攝像頭）融入?yún)^(qū)域架構(gòu)，速度和帶寬需求必須提升和/或以太網(wǎng)主干拓?fù)淇赡軓男切娃D(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)型，以適應(yīng)大量安全關(guān)鍵型和時(shí)敏型傳感器數(shù)據(jù)的傳輸需求。
音頻每通道生成約 1.5Mbps；雷達(dá)傳感器通常生成 0.1Mbps 至 15Mbps 數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)生成 20Mbps 至 100Mbps 的數(shù)據(jù)。攝像頭產(chǎn)生最高數(shù)據(jù)量，達(dá) 500Mbps 至 3.5Gbps。當(dāng)前車輛通常配備 4-6 個(gè)雷達(dá)傳感器、1-5 個(gè)激光雷達(dá)傳感器、12-20 個(gè)揚(yáng)聲器、12-16 個(gè)麥克風(fēng)及 6-12 個(gè)攝像頭。表 1 圖示展示了各類傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量范圍。
| 類型 | 所生成的數(shù)據(jù) | 傳感器數(shù)量 | 低 | 中 | 高 |
|---|---|---|---|---|---|
| 音頻揚(yáng)聲器 | 1.5Mbps | 12 至 20 | 3.2Mbps | 24Mbps | 30Mbps |
| 音頻麥克風(fēng) | 1.5Mbps | 12 至 16 | 3.2Mbps | 21Mbps | 24Mbps |
| 雷達(dá) | 0.1 - 15Mbps | 4 至 6 | 0.4Mbps | 35Mbps | 90Mbps |
| 激光雷達(dá) | 20 - 100Mbps | 1 至 5 | 20Mbps | 100Mbps | 500Mbps |
| 攝像頭 | 500Mbps - 3.5Gbps | 6 至 12 | 3Gbps | 9Gbps | 42Gbps |
正是不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)總量，推動(dòng)了原始設(shè)備制造商 (OEM) 對(duì) 2.5Gbps、5Gbps 和 10Gbps 以太網(wǎng)的需求。區(qū)域架構(gòu)需要一條主干通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)?ADAS 傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)傳輸至中央計(jì)算系統(tǒng)。未壓縮的攝像頭數(shù)據(jù)已超出當(dāng)前以太網(wǎng)承載能力，而攝像頭分辨率和像素?cái)?shù)量仍在持續(xù)提升。隨著車輛向自動(dòng)駕駛邁進(jìn)，傳感器數(shù)量將持續(xù)增加。因此，支持更高的攝像頭分辨率和傳感器所需的帶寬會(huì)相應(yīng)增加。
OEM 廠商對(duì)以太網(wǎng)速率的需求差異，很可能源于將不同功能整合至區(qū)域控制模塊的過渡時(shí)間表。車內(nèi)揚(yáng)聲器的音頻播放是首批應(yīng)用于以太網(wǎng)主干的跨域數(shù)據(jù)類型之一。相比之下，這很可能是由較低的數(shù)據(jù)生成量造成的，因?yàn)?20 路音頻揚(yáng)聲器通道大約會(huì)產(chǎn)生 30Mbps 的數(shù)據(jù)流量?，F(xiàn)有的 100Mbps 或 1Gbps 以太網(wǎng)主干可輕松適應(yīng)添加音頻播放數(shù)據(jù)?？傮w而言，區(qū)域控制模塊中的高級(jí)數(shù)據(jù)功能越多，對(duì)帶寬的要求就越高。
采用以太網(wǎng)作為區(qū)域架構(gòu)的主干，使車輛在連接互聯(lián)網(wǎng)或遠(yuǎn)程 OEM 服務(wù)器時(shí)，能夠通過車載網(wǎng)絡(luò)傳輸更多數(shù)據(jù)。這使得通過遠(yuǎn)程固件空中下載 (FOTA) 更新實(shí)現(xiàn)訂閱式服務(wù)和車輛診斷成為可能。FOTA 更新支持不同的硬件和軟件更新周期，由于傳感器和執(zhí)行器與中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，這些更新周期可以異步進(jìn)行。FOTA 更新還能推送新增功能與安全改進(jìn)，無(wú)需等待新車型發(fā)布或車輛進(jìn)廠維修。OEM 和消費(fèi)者都從中獲益：OEM 能夠在車輛上市后自主控制新增功能的更新，而消費(fèi)者則無(wú)需頻繁前往經(jīng)銷商處更新固件，從而減少了不便。
區(qū)域架構(gòu)中的 PHY
以太網(wǎng)需要使用 PHY 來發(fā)送和接收高速數(shù)據(jù)。汽車以太網(wǎng) PHY 消除了以太網(wǎng)作為車輛布線主干時(shí)面臨的諸多問題，例如在如此多變的環(huán)境中信號(hào)質(zhì)量不佳的情況。德州儀器 (TI) 的以太網(wǎng) PHY 能夠在–40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，符合汽車電子委員會(huì) Q100 的 1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
以太網(wǎng) PHY 還需通過以太網(wǎng)合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，確保滿足電磁兼容性、電磁干擾方面的互操作性與可靠性要求，同時(shí)符合開放聯(lián)盟 TC1 和 TC12 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 IEEE 規(guī)范，方可在車載環(huán)境中運(yùn)行。憑借信號(hào)質(zhì)量指示、時(shí)域反射測(cè)量和靜電放電傳感器等先進(jìn)診斷功能，PHY 可檢測(cè)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，識(shí)別故障并使主機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)響應(yīng)。例如，如果發(fā)生靜電放電 (ESD)，PHY 會(huì)向 SoC 和媒體訪問控制發(fā)送中斷信號(hào)以發(fā)出事件警報(bào)，然后檢查系統(tǒng)中的其他器件。
以太網(wǎng) PHY 還能通過單對(duì)以太網(wǎng)電纜喚醒遠(yuǎn)程 ECU，該技術(shù)基于開放聯(lián)盟 TC10 規(guī)范的喚醒與休眠技術(shù)，從而無(wú)需額外布線即可喚醒處于休眠狀態(tài)的 ECU。IEEE 802.1AE 介質(zhì)訪問控制安全 (MACsec) 技術(shù)同樣至關(guān)重要，它能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò) ECU 的身份驗(yàn)證，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密/解密以防范網(wǎng)絡(luò)攻擊，網(wǎng)絡(luò)攻擊正是汽車網(wǎng)絡(luò)面臨的最大威脅。
其他以太網(wǎng) PHY 包括：
- 德州儀器 (TI) 的 DP83TC812-Q1、DP83TC815-Q1、DP83TC814-Q1 100BASE-T1 PHY 具備適用于豪華車型的下一代特性，而體積更小的 DP83TC813-Q1 100BASE-T1 PHY 在印刷電路板空間有限的場(chǎng)景中更具吸引力。DP83TG720-Q1 和 DP83TG721-Q1 可將區(qū)域模塊連接至數(shù)據(jù)密集型功能單元，例如中央計(jì)算系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信息處理控制單元，為后續(xù)型號(hào)增加新功能預(yù)留了空間，且無(wú)需對(duì)線束進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)。綜合來看，這些 PHY 接口為道路上性能更先進(jìn)和功能更強(qiáng)大的車輛鋪平了道路。
- 德州儀器 (TI) 的單對(duì)以太網(wǎng) PHY 產(chǎn)品組合在封裝或引腳配置上均與德州儀器 (TI) 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 兼容。采用單板設(shè)計(jì)，能在未來的開發(fā)中升級(jí)功能集或帶寬，而無(wú)需改動(dòng)硬件。這種方法有助于加快開發(fā)周期、滿足不同 OEM 的要求并縮短上市時(shí)間，從而節(jié)省研發(fā)成本。
- DP83TD555J-Q1 10BASE-T1S 串行外設(shè)接口 MAC PHY 無(wú)縫集成到現(xiàn)有的以太網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)中，在連接傳統(tǒng) CAN/LIN 邊緣節(jié)點(diǎn)時(shí)無(wú)需使用協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)及其相關(guān)的延遲和處理開銷。該器件支持?jǐn)?shù)據(jù)線供電，可通過單根雙絞線電纜提供電源和 10Mbps 數(shù)據(jù)，有效減輕線纜重量并降低系統(tǒng)成本。內(nèi)置 PHY 沖突規(guī)避機(jī)制提供確定性調(diào)度，為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)保障傳輸機(jī)會(huì)，確保通信時(shí)序可預(yù)測(cè)。更大的以太網(wǎng)幀有效載荷，能夠從車輛邊緣的 ECU 中提取更大的數(shù)據(jù)量與更多樣化的數(shù)據(jù)類型，在維持實(shí)時(shí)性能的同時(shí)，為高級(jí)診斷和遠(yuǎn)程無(wú)線升級(jí)提供了便利。
結(jié)語(yǔ)
汽車以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步將使汽車制造商能夠?yàn)樾萝囂峁└喙δ?。采用以太網(wǎng)的區(qū)域架構(gòu)將提供支持下一代自動(dòng)駕駛功能所需的數(shù)據(jù)容量，加速向軟件定義車輛的轉(zhuǎn)型，從而打造更安全、更智能的道路交通環(huán)境。
其他資源
- 閱讀白皮書,“汽車區(qū)域架構(gòu)中的 TSN：?jiǎn)⒂靡蕴W(wǎng)環(huán)形架構(gòu)和 AVB 分布式音頻”、了解時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)如何提高汽車網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
- 如需區(qū)域架構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參閱白皮書，“區(qū)域架構(gòu)如何為全軟件定義車輛鋪平道路”。
- 有關(guān)開放聯(lián)盟 TC10 規(guī)范的更多信息，請(qǐng)查看應(yīng)用手冊(cè)“DP83TC812-Q1 TC10 系統(tǒng)時(shí)序測(cè)量”。