安森美分析車載網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢

本文作者：安森美模擬與混合信號事業(yè)部，資深市場營銷經(jīng)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(nèi)燃機（ICE）驅(qū)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(shù)十種傳感器、微控制器及執(zhí)行器，所有這些器件都會產(chǎn)生或處理大量的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡技術（IVN）

電子技術在車輛中已應用數(shù)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(shù)據(jù)，也不依賴于其他系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。然而，隨著技術的進步，集成化帶來的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，汽車專用的網(wǎng)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（LocalInterconnect Network, LIN）、CAN總線（ControllerArea Network, CAN/CAN-FD）、FlexRay總線以及MOST總線（MediaOriented 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(xiàn)有的技術方案難以滿足現(xiàn)代車輛日益增長的需求。

圖1：針對車載應用，已有多種通信協(xié)議被開發(fā)出來

LIN總線是一項成本效益高的技術，對于低數(shù)據(jù)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(shù)量被限制在12個以內(nèi)，這限制了它在現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)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(wǎng)銜接的能力，但對于許多工程師來說，直接過渡到全以太網(wǎng)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(qū)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(wǎng)被許多人視為替代現(xiàn)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(xiàn)行的以太網(wǎng)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（CarrierSense Multiple Access with Collision Detection,CSMA/CD）機制，這意味著無法實現(xiàn)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(qū)動等。

此外，以太網(wǎng)技術的成本也是一個問題。然而，考慮到以太網(wǎng)的巨大潛力，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了如10BASE-T1S這樣的確定性協(xié)議，它包含了物理層沖突避免（PhysicalLayer Collision Avoidance,PLCA）機制（參見圖2），為時間關鍵型應用提供了所需的性能。此外，汽車以太網(wǎng)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2：在PLCA周期中，每個“從設備”發(fā)送數(shù)據(jù)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(wǎng)在OPEN聯(lián)盟等組織的推動下不斷發(fā)展，以滿足現(xiàn)代汽車日益增長的帶寬需求。新標準（如IEEEP802.3dh）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(xiàn)實等要求極苛刻的技術。

包括藍牙、Wi-Fi和移動通信在內(nèi)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)"（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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)量，因此要求車載網(wǎng)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(wǎng)與主CPU連接，以支持先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和線控驅(qū)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(wǎng)絡性能需求的增加。這主要是由于需要更高的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸至關重要。要實現(xiàn)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(wǎng)絡（TSN），但向區(qū)域控制架構的轉(zhuǎn)變增強了這種需求。時序的精確調(diào)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(wǎng)解決方案方面，現(xiàn)有的TSN以太網(wǎng)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，MIPICSI-2（攝像頭串行接口）和DSI-2（顯示串行接口）支持高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的理想選擇。移動產(chǎn)業(yè)處理器接口聯(lián)盟（MobileIndustry Processor Interface，MIPI）和汽車串行/解串通信技術聯(lián)盟（AutomotiveSerdes 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（ASAML）將獲準與MIPICSI-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(wǎng)（高帶寬傳輸，低帶寬接收）進行了研究。

安森美（onsemi）在車載網(wǎng)絡（IVN）中的角色

安森美在車載網(wǎng)絡領域擁有超過三十年的豐富經(jīng)驗，提供創(chuàng)新產(chǎn)品和一流的應用支持。目前，解決方案組合以許多現(xiàn)有的車載網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)將是汽車行業(yè)的一個重點領域。安森美已經(jīng)推出了首批產(chǎn)品，目前正在為這一重要協(xié)議開發(fā)第二代產(chǎn)品組合。隨著大多數(shù)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(wǎng)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(diào)整座椅等）仍將繼續(xù)使用現(xiàn)有協(xié)議（如LIN和CAN）。不過，我們已經(jīng)看到以太網(wǎng)正在取代CAN的部分市場份額，預計到明年，以太網(wǎng)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(wǎng)絡在"車輪上的計算平臺"中數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

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(wǎng)上。

確定性以太網(wǎng)（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(wǎng)絡標準化程度的提高，實現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)。

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(wǎng)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(wǎng)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。