車載網絡系統的革命性發展

隨著汽車電氣化的快速發展，除了朝向電池驅動的純電化發展之外，傳統車輛也開始采用大量的電子系統，通過部署大量的傳感器、處理器和執行器來提升功能、安全性和效率，車輛的復雜性正迅速增加。隨著汽車技術的發展，對車載網絡（IVN）系統的需求也與日俱增，需要更高的帶寬和更低的延遲通信來確保功能和安全。本文將為您介紹車載網絡系統的發展，以及由安森美（onsemi）所推出的相關解決方案。

車載網絡協議滿足汽車的

性能和帶寬需求

隨著汽車電子應用的發展，多年來，市場上已經制定了幾種主要（或專門）用于車載網絡的協議，雖然每種協議都有獨特的屬性，但由于架構的不斷變化和車載網絡內傳輸的大量數據，這些協議仍然難以滿足當今汽車的需求。因此，汽車制造商正在尋找新的方案來提供必要的性能和帶寬。

在各種網絡協議之中，以太網曾是一種顯而易見的選擇，因為它在計算領域被廣泛采用，帶寬相對較高，成本合理。然而，它應用于汽車有一個顯著的缺點，就是無法以時間敏感模式或確定性模式運行。這是由于以太網運行所固有的載波偵聽多路訪問／沖突檢測（CSMA/CD）協議導致的。

為了使汽車行業能夠利用以太網的優勢，已經制定出一種新的協議。這種汽車專用協議版本被稱為10BASE-T1S，它用物理層沖突避免（PLCA）取代了CSMA/CD，以實現對于線控驅動和高級駕駛輔助系統（ADAS）至關重要的確定性運行。

由于具備高帶寬和低延遲的特性，汽車以太網越來越廣泛地用于車載信息娛樂系統和ADAS系統。以太網對于實現諸如車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎設施（V2I）通信等連接功能發揮重要作用，這對提升安全管理至關重要。

隨著車輛越來越依賴數據驅動，對更高帶寬的需求也將不斷增長，以支持自動駕駛、高清/4K視頻流和增強現實應用等先進功能。以太網網絡必須提供更快的數據傳輸速率。未來的汽車以太網網絡還應具備超低延遲，以實現自動駕駛的快速決策和響應。

建立完善的車輛架構和成像解決方案

對于汽車制造商來說，車輛內不同子系統的組織和互連是需要考慮的重要因素。通常，子系統按功能（例如，傳動系統、底盤、舒適度）進行組織，而與它們在汽車中的位置無關。這會導致布線數量增多，從而增加車輛的成本和重量。

近來，首選方法是根據子系統在汽車中的位置將其“分區”，分區架構兼具擴展性和靈活性，能夠相對輕松地執行刪除、添加或升級子系統等更改。它還允許部署冗余和容錯組件，這對于實現關鍵系統所需的功能安全級別至關重要。

雖然分區架構的設計減少了對布線的需求，但也顯著增加了車載網絡骨干傳輸的數據量，需要更高的帶寬、性能和低延遲。為實現自動緊急制動（AEB）等ADAS功能，傳感器和控制電子器件遍布整個汽車，安全可靠的系統運行依賴于時間敏感網絡（TSN），以消除任何延遲差異。

毫無疑問，具確定性的10BASE-T1S以太網將在未來車輛中發揮重要作用，特別是在分區架構的骨干網絡方面。MOST和FlexRay等協議不太可能在新設計中使用，但預計LIN和CAN將繼續發揮作用，特別是在各個“分區”內。

此外，還將繼續進一步制定其他協議，包括MIPI聯盟的攝像頭串行接口2（CSI-2）和顯示器串行接口（DSI-2），這些協議對于當今汽車中ADAS和信息娛樂系統連接高分辨率攝像頭、傳感器和顯示器至關重要。另外，MIPI聯盟和汽車SerDes聯盟（ASA）正在開發標準化SerDes方案，并致力于研究提高MIPI協議的安全性，并實現攝像頭的非對稱以太網，其中涉及以高帶寬進行發送、以較低帶寬進行接收。但最重要的架構變化是CAN將不再作為主要車輛通信骨干的默認協議，而是由以太網承擔這一角色。

車載網絡種類的基礎知識

車載網絡主要涉及LIN、CAN (FD)、FlexRay和汽車以太網技術的基礎知識。以下將為您介紹相關的技術概念。

LIN：

LIN采用12 V架構，是基于通用SCI (UART)字節字接口的單線串行通信協議，其最大速度可達20 kb/s（EMC/時鐘同步），主設備控制介質訪問，負責無仲裁或沖突管理，以保證延遲時間，具有從節點的時鐘同步機制（不需要石英或陶瓷諧振器），可在其他從節點中未更改硬件／軟件的情況下添加節點，其通常少于12個節點（64個標識符和相對較低的傳輸速度）。

LIN物理層的Vsup介于7V和18V之間，由于對坡度和對稱性的嚴格要求，其占空比的最小值為39.6%，最大值為58.1%（總線負載為1 μs和5 μs之間的時間常數：1k/1 nF 660/6.8 nF 500/10 nF），異步振蕩器則擁有小于14%的寬容值。

LIN的通信理念是由主任務發起的通信（消息頭），識別標識符后激活從站任務，以啟動消息響應（1-8個數據字節加上1個校驗和字節），支持數據正確性的奇偶校驗與校驗和。

CAN：

CAN（控制器局域網）則是另一種車載網絡的主流協議之一，在CAN通信中，所有設備都是平等的，可以隨時進行通信。如果發生沖突（兩個設備同時通信），則使用仲裁來確保消息被理解。

CAN支持異步通信（事件觸發），當總線安靜時任何節點都可以訪問總線，其采用非破壞性仲裁，可100%使用帶寬而不丟失數據，低優先級消息的延遲較大，高優先級消息的延遲較低，支持基于11位（或擴展29位）數據包標識符的可變消息優先級，可進行自動錯誤檢測、信號發送和重試，CAN使用雙絞線電纜以高達1 Mb/s的速度與多達40個設備進行通信。

CAN的物理層總線需要線路端接，ISO 11898標準將電纜的阻抗定義為120 ± 12 Ω，需要采用屏蔽或非屏蔽雙絞線。CAN總線仲裁時，如果兩個消息同時通過CAN總線發送，總線將采用信號的“邏輯AND”，因此，具有最低二進制數的消息標識符獲得最高優先級，每個設備都會偵聽通道，并在發現總線位與其標識符位不匹配時退出。CAN支持靈活數據速率，為了增加帶寬，引入了CAN靈活數據速率作為CAN的擴展。

Flexray：

Flexray協議則與火車時刻表一樣，總線的所有FlexRay流量均使用時隙精心安排，其高數據速率高達10 Mb/s，支持時間和事件觸發的行為、冗余、容錯能力與確定性（使用“時隙”）。FlexRay可滿足線控應用（即線控駕駛、線控轉向、線控制動等）的容錯性、速度和時間確定性性能要求。

FlexRay物理層的靜態段是為按固定周期到達的確定性數據保留的時隙，動態段則用于更廣泛的不需要確定性的基于事件的數據（參考自CAN協議），其符號窗口通常用于網絡維護和啟動網絡的信號，網絡空閑時間則用于維持節點時鐘之間同步的已知“安靜”時間。

以太網：

以太網則包括100Base-T1、1000Base-T1，采用單雙絞線，支持全雙工，速率可達100/1000 Mbps，電纜長度至少可達15 m，采用差分信號通過電容器耦合到雙絞線中，物理層將位轉換為符號（3位轉換為2個符號），符號的值可以是+1、0或-1，對應于三個不同的差分電壓電平，支持點對點通信，若是更復雜的網絡則需要交換機，為了保持同步，即使沒有節點打算發送數據，通信也會持續進行。

100Base-T1的物理層鏈路伙伴之一是主站（啟動訓練），第二個是從站（使用時鐘恢復形式數據流將其時鐘與主站同步）。由于物理層使用PAM3（3位轉換為2個符號），其波特率為66 MBd/s，可支持兩個鏈路伙伴同時傳輸符號，因此可能會觀察到5個不同的差分電壓電平，待傳輸的數據可與旁流相結合，具有擾碼器（偽隨機流）可實現更好的EMC性能。

10Base-T1S則是通過單根雙絞線電纜傳輸速率為10 Mbps，長度至少為15 m，支持點對點半雙工通信，可選功能包括全雙工點對點操作、半雙工多點（CAN、FlexRay、LIN等總線拓撲）操作，也可進行多點操作，支持1個主站，最多至少8個從站。主站通過信標發起通信，然后每個從站都有機會發送數據，該協議稱為物理層沖突避免（PLCA）。

安森美深耕車載網絡提供廣泛產品組合

安森美深耕車載網絡領域30余年，擁有廣泛的產品組合，并提供值得信賴的客戶支持和應用支持。安森美的產品組合涵蓋現有所有主流的車載網絡技術，例如LIN、CAN和FlexRay，同時安森美繼續提供不斷增強的知識產權（IP），以更好地滿足汽車行業的要求和需求。

隨著10BASE-T1S以太網對汽車行業的重要性不斷增加，安森美會將大部分開發資源集中于此。繼最近發布的方案之后，安森美正在開發具有更高性能的第二代產品，以幫助行業持續推動分區架構和自動駕駛技術。

憑借30多年為汽車行業提供支持和完整的AEC合格產品組合，安森美使客戶能夠設計高可靠性解決方案，為最終用戶創造價值，同時提供峰值性能。安森美在ADAS領域占有重要地位，除了高性能圖像傳感器、激光雷達探測器和廣泛的合作伙伴生態系統外，安森美還提供全面的產品組合，包括電源管理、照明解決方案、電機驅動器、系統設計專業知識、參考設計、強大而靈活的開發套件，以及經驗豐富的應用支持，其關鍵組件均符合ISO-26262/ASIL標準。

結語

隨著汽車搭載的電子系統越來越多，車載網絡的重要性也與日俱增，本文介紹的車載網絡技術將廣泛用于汽車電子系統的連接，提供更多的功能性與更高的安全性。安森美深耕汽車電子領域超過30年，能提供完整的車用電子解決方案，若有更深入的需求，請直接與安森美或艾睿電子聯系。