10BASE-T1S：破解车载网络瓶颈，重构软件定义汽车通信底座

作者：安森美半导体

摘要：随着软件定义汽车加速落地，高效、精简、适配车载场景的通信技术成为行业核心诉求。10BASE-T1S作为专为车载与工业场景打造的以太网技术，为破解车载网络瓶颈统一提供了关键方案。本系列将分两篇为您深度拆解安森美（onsemi）最新的10BASE-T1S技术白皮书。本文为第一篇，将聚焦架构演进与10BASE-T1S的核心价值。

(一)        区域控制架构

如今的汽车均需搭载精密复杂的电子通信网络。与办公场景中网线可隐匿于地毯之下、接口线缆便于手持布设不同，车载网络（IVN）的部署会受到更多物理条件的制约。
区域控制架构是工程师在物理空间极为受限的环境下实现电子器件间通信以支持大量并发电子功能的技术方案。各个电子功能会依据其在车内的相对邻近程度进行分组。


图1：经优化的区域控制架构图

图1展示了现代汽车中的区域网络架构。在传统的域架构中，车辆各项功能均配备独立的电子控制单元（ECU），整车ECU数量多达85-100个；而区域控制架构可将ECU数量大幅缩减至20个左右。

激光雷达成像、车道偏离影像、防撞系统及先进驾驶辅助系统（ADAS）等需要更高带宽的功能，由中央区域控制器统一协调。ADAS通过边缘传感器采集的数据，实现车道偏离预警、防撞、盲区监测及泊车辅助等功能。从网络主干向边缘节点延伸，在越靠近网络边缘的区域控制器处，应用所需的带宽就越少。通过这种方式对功能进行聚类，低带宽功能（例如门锁传感器）就不会对高带宽功能（例如视频图像处理）造成瓶颈。在区域控制架构问世之前，这类瓶颈问题一直是行业内的重要技术难题。

(二)        对精简型以太网的需求


图2：经典的办公室间以太网星型拓扑结构[图表由Umapathy提供，遵循Creative Commons3.0许可协议]

为保障效率，网络应尽可能采用端到端统一协议，避免因不同协议之间的转换而显著增加成本与复杂度。汽车整车厂商（OEM）一致认为：以太网是实现车载网络协议统一的理想选择。
以太网最初面向办公设备共享场景设计，后续演进为图2所示的星型拓扑点对点通信模式；因此，需对以太网标准进行适当补充，以适配车载网络的需求。若将网络中所有设备均连接至同一个中央交换机，会导致线缆数量过多，进而增加整车重量。


图3：基本的CAN多点总线配置，两端各连接一个120Ω电阻[图表由Stefan-Xp提供，遵循Creative Commons3.0许可协议]

控制器局域网（CAN）之所以长期成为车载网络的主流协议，核心优势在于其高性价比及如图3所示的多点总线拓扑结构。采用CAN协议时，工程师无需将各边缘器件逐一连接至中央交换机，而是可将一组器件（即传统架构中的“域”）挂载在同一条“共用线路”上实现通信。
然而，将边缘的CAN与以太网骨干网连接起来，会增加网络的整体复杂度，“CAN+以太网”的模式需要增设网关、交换机与连接器等硬件。

(三)        10BASE-T1S如何消除瓶颈


图4：三台设备共享一条公共总线的10BASE-T1S配置，通过双绞线连接器同时传输电力与网络信号

10BASE-T1S是10BASE以太网标准的现代化版本，专为满足车载及工业场景的联网需求而扩展。如图4所示，10BASE-T1S节点可通过单对双绞线以多点总线形式实现共享通信，既无需部署以太网交换机，也可彻底省去大体积的以太网/CAN网关。


图5：10BASE-T1S控制器的三种器件配置选项及其连接方式

基于10BASE-T1S的网络中，每个网络节点均包含主机（通常为MCU）和某种形式的以太网收发器或控制器。如图5所示，10BASE-T1S控制器的功能分配可通过三种方案实现，对应其三大核心功能类别。

媒体访问控制（MAC）是实现OSI模型第2层（数据链路层）功能的数字逻辑，负责帧格式、寻址和媒体访问规则，保障以太网通信正常运行。

物理层器件（PHY）是实现以太网OSI模型第1层的组件，负责将MAC输出的数字数据转换为物理介质上的电信号或光信号，反之亦然。

物理介质相关（PMD）子层直接与物理传输介质对接，在10BASE-T1S网络中为单对布线。它位于物理层的最底层，负责完成数字符号到线路实际信号转换所需的各种模拟与电气处理。

在10BASE-T1S网络中，工程师通常根据成本与功能的综合权衡，选用最契合需求的MCU。依据MCU中以太网相关功能的可用性，可选择如图5所示的三种收发器解决方案之一。若选用已集成MAC及PHY数字功能（PCS与PMA）的MCU，只需搭配图5最右侧方案中的PMD收发器，即可构成完整解决方案。由于微控制器普遍采用小特征尺寸工艺制造，将以太网数字器件集成于MCU内部，有利于降低成本。此外，该方案需要的引脚数最少，仅需3个引脚即可将PMD与微控制器连接。

若采用集成了以太网MAC功能的现成器件，则可优先选用图中的中间方案。此类器件支持符合IEEE802.3标准的媒体独立接口（MII），物理层器件可通过相同的MII与上层（MAC）进行通信。虽然这种解决方案最多需要18个引脚，是引脚数量最多的配置，但仍可借助现成器件的成本优势实现整体方案降本。

若所选的MCU未集成任何以太网功能，则可采用图5最左侧的MAC-PHY一体化器件来提供构建完整以太网节点所需的全部功能。为了方便使用，此类MAC-PHY采用标准化的5引脚SPI接口，可兼容市面上许多低成本的MCU。MCU只需支持SPI接口即可确保运行频率不低于15MHz，另外需要一个GPIO作为MAC-PHY器件的中断信号源。
10BASE-T1S支持上述所有方案，便于工程师根据设计目标，灵活选择最优的网络连接实现方式。

未完待续，下一篇推文将解锁安森美10BASE-T1S芯片的硬核黑科技，深度拆解它的独家技术特性与超强功能优势。