车载网络系统的革命性发展

随着汽车电气化的快速发展，除了向电池驱动的电动车辆转变，传统车辆也开始采用大量的电子系统。这些系统利用众多的传感器、处理器和执行器来增强功能性、安全性和效率，从而导致车辆复杂性的迅速增加。随着汽车技术的进步，车载网络（IVN）系统的需求也在不断增长，要求更高的带宽和更低的通信延迟以确保功能性和安全性。本文将为您介绍车载网络系统的发展以及安森美（onsemi）推出的相关解决方案。

车载网络协议满足汽车的性能和带宽需求

随着多年来汽车电子应用的发展，用于车载网络的多种主要（或专用）协议被开发出来。尽管每种协议都有其独特属性，但由于汽车架构的不断变化以及车载网络中传输的数据量巨大，这些协议仍难以满足现代汽车的需求。因此，汽车制造商正在寻求新的解决方案，以提供所需的性能和带宽。   在众多网络协议中，Ethernet（以太网）曾是一个显而易见的选择，因为它在计算领域被广泛采用，具有相对较高的带宽且成本合理。然而，当应用到汽车领域时，它存在一个显著的缺点，即无法以时间敏感或确定性的模式运行。其原因在于以太网的运行机制中固有的载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议。   为了让汽车行业能够利用以太网的优势，一种新的协议被开发出来。这种专为汽车设计的协议变体被称为10BASE-T1S，它用物理层冲突避免（PLCA）替代了CSMA/CD，从而实现了对线控驾驶（Drive-by-Wire）和高级驾驶辅助系统（ADAS）应用至关重要的确定性操作。   由于其高带宽和低延迟的特性，汽车以太网正越来越多地用于车载信息娱乐系统和ADAS系统。以太网在实现车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信等连接功能中发挥了关键作用，这些功能对于提升安全管理至关重要。   随着车辆越来越依赖数据驱动的技术，对更高带宽的需求将持续增长，以支持如自动驾驶、高清/4K视频流和增强现实应用等高级功能。汽车中的以太网网络必须提供更快的数据传输速率。未来的汽车以太网网络还应具有超低延迟功能，以快速决策和响应，支持自动驾驶。

建立全面的车辆架构和成像解决方案

对于汽车制造商来说，车辆内部不同子系统的组织和互联是需要考虑的重要因素。通常，子系统根据其功能（例如驱动系统、底盘、舒适性）而非其在车辆内的物理位置进行组织。这种方式可能会导致电缆复杂性增加，从而提高车辆的成本和重量。
 
近年来，更受欢迎的方式是根据子系统在车辆内的位置划分为“区域”。区域化架构结合了可扩展性和灵活性，允许相对轻松地实现变化，如移除、添加或升级子系统。它还支持冗余和容错元素的部署，这对于达到关键系统所需的功能安全水平至关重要。
 
虽然区域化架构设计减少了对电缆的需求，但显著增加了车内网络主干上传输的数据量，从而需要更高的带宽、性能和低延迟。为了实现例如ADAS（高级驾驶辅助系统）中的自动紧急制动（AEB）功能，传感器和控制电子设备分布在整个车辆内，而对安全关键系统的可靠操作依赖时间敏感网络（TSN），以消除任何延迟差异。
 
毫无疑问，确定性10BASE-T1S以太网将在未来的车辆中发挥关键作用，特别是在区域化架构的主干网络中。像MOST和FlexRay这样的协议在新设计中可能不会被使用，但LIN和CAN预计将继续在各个“区域”中发挥作用。
 
此外，其他协议将持续开发，包括MIPI联盟的摄像头串行接口2（CSI-2）和显示串行接口2（DSI-2），这些协议对于当今车辆中连接高分辨率摄像头、传感器和显示器（用于ADAS和信息娱乐系统）至关重要。此外，MIPI联盟和汽车SerDes联盟（ASA）正在开发标准化的SerDes解决方案，并专注于增强MIPI协议的安全性以及为摄像头启动非对称以太网技术，涉及高带宽传输和低带宽接收。然而，最显著的架构变化是CAN将不再是车辆主通信主干的默认协议；取而代之的将是以太网担任这一角色。

车载网络类型的基础知识

车载网络主要涉及LIN、CAN（FD）、FlexRay 和汽车以太网技术的基础知识。以下将为您介绍相关的技术概念。 

林：

LIN采用12V架构，并基于单线串行通信协议，利用常见的SCI（UART）字节-字接口。其最高速度可达20 kb/s（EMC/时钟同步）。主控节点负责介质访问，无需仲裁或碰撞管理，从而确保延迟时间。LIN具有从节点时钟同步机制（无需石英或陶瓷谐振器），并允许在不改变其他从节点的硬件/软件的情况下添加节点。通常，它支持少于12个节点（64个标识符，传输速率相对较低）。    LIN物理层的Vsup范围在7V到18V之间。由于对斜率和对称性有严格要求，其最小占空比为39.6%，最大占空比为58.1%（总线负载时间常数在1 µs到5 µs之间：1k/1 nF、660/6.8 nF、500/10 nF）。非同步振荡器的容差值小于14%。   LIN的通信概念由主任务（报文头部）启动，在识别标识符后激活从任务以开始报文响应（1-8个数据字节加1个校验字节）。它支持奇偶校验和校验和以确保数据的正确性。

能：

CAN（控制器局域网）是另一种车辆网络的主流协议。在CAN通信中，所有设备都是平等的，可以随时通信。如果发生冲突（两个设备同时发送数据），会通过仲裁机制确保消息能够被理解。   CAN支持异步通信（事件触发）。当总线处于空闲状态时，任何节点都可以访问总线。它采用无破坏性的仲裁方法，能够实现100%的带宽利用率且没有数据丢失。低优先级的消息具有更高的延迟，而高优先级的消息具有更低的延迟。CAN支持基于11位（或扩展的29位）数据包标识符的可变消息优先级，从而实现自动错误检测、信号标识和重试功能。CAN使用双绞线电缆进行通信，最多可以连接40个设备，通信速率可达1 Mb/s。   CAN总线的物理层要求在线的两端进行端接。ISO 11898标准定义了电缆阻抗为120 ± 12 Ω，需使用屏蔽或非屏蔽双绞线电缆。在CAN总线的仲裁过程中，如果两条消息同时通过CAN总线发送，总线将使用信号的“逻辑与”操作。因此，二进制编号最低的消息标识符会获得最高优先级。每个设备都会监听通道，如果检测到总线上的位与其标识符的位不匹配，就会退出发送。CAN支持灵活的数据速率，为了增加带宽，CAN灵活数据速率（CAN FD）被引入作为CAN的扩展。

FlexRay：

FlexRay协议类似于火车时刻表，使用时间槽精确地对所有FlexRay通信进行调度。它具有高达10 Mb/s的高速数据传输能力，并支持时间触发和事件触发行为、冗余、容错以及确定性（利用“时间槽”）。FlexRay满足诸如线控驾驶、线控转向和线控制动等应用的错误容忍度、速度以及时间确定性性能要求。   在FlexRay的物理层中，静态段保留用于以固定周期到达的确定性数据，而动态段用于不需要确定性的一般事件驱动数据（参见CAN）。符号窗口通常用于网络维护和网络启动信号，而网络空闲时间用于维持已知的“静默”时间，以实现节点时钟之间的同步。

以太网：

以太网包括像 100Base-T1 和 1000Base-T1 这样的标准，它们使用单根双绞线电缆，支持全双工通信，并实现高达 100/1000 Mbps 的速度。电缆长度可达至少 15 米。差分信号通过电容耦合到双绞线电缆中。物理层将比特转换为符号（3 比特转换为 2 个符号），符号值可以是 +1、0 或 -1，分别对应三种不同的差分电压水平。以太网支持点对点通信，而对于更复杂的网络，则需要使用交换机。即使没有节点打算发送数据，为了维持同步，通信仍会继续。   对于 100Base-T1，物理层链路伙伴之一是主设备（发起训练），另一个是从设备（通过从数据流中恢复时钟与主设备同步）。由于物理层采用 PAM3（3 比特转换为 2 个符号），其波特率为 66 MBd/s，允许两个链路伙伴同时传输符号。因此，可以观察到五种不同的差分电压水平。要传输的数据可以与旁带流结合，并包含一台加扰器（伪随机流）以实现更好的电磁兼容性（EMC）性能。   10Base-T1S 是一种以单根双绞线电缆（长度最长可达至少 15 米）以 10 Mbps 的速率传输数据的协议。它支持点对点半双工通信。可选特性包括点对点全双工操作和半双工多点（如 CAN、FlexRay、LIN 等）操作。它还可以支持多点分布式操作，其中有一个主设备和至少 8 个从设备。主设备通过信标发起通信，然后每个从设备获得发送数据的机会。这种协议被称为物理层碰撞避免（PLCA）。

安森美 (onsemi) 一直深入参与车载网络领域，并拥有广泛的产品组合

安森美 (onsemi) 已深耕汽车内部网络 (IVN) 领域超过30年，提供广泛的产品组合，并为客户提供可靠的技术支持和应用支持。安森美的产品组合涵盖所有主流的IVN技术，如LIN、CAN和FlexRay，并且不断增强其知识产权 (IP)，以更好地满足汽车行业的要求与需求。   随着10BASE-T1S以太网在汽车行业中的重要性日益提升，安森美正在将大部分开发资源集中在这一领域。在最近推出相关解决方案后，安森美正着手开发性能更高的第二代产品，以助力行业持续推动区域架构和自动驾驶技术的发展。   凭借逾30年为汽车行业提供支持的经验及一整套符合AEC标准的产品组合，安森美能够帮助客户设计高可靠性的解决方案，为终端用户创造价值，并实现卓越性能表现。安森美在高级驾驶辅助系统 (ADAS) 领域占据重要地位，其全面的产品组合包括电源管理、照明解决方案、电机驱动器、系统设计专业知识、参考设计、强大且灵活的开发套件以及经验丰富的应用支持。其关键组件均符合ISO-26262/ASIL标准。

结论 

随着车辆越来越多地配备电子系统，汽车网络的重要性正迅速增加。本文介绍的汽车网络技术将在连接各类汽车电子系统中被广泛应用，从而提供更强大的功能和更高的安全标准。凭借在汽车电子领域超过30年的专业经验，安森美 (onsemi) 能够提供全面的汽车电子解决方案。如有进一步需求或深入咨询，欢迎随时联系安森美 (onsemi) 或飞箭电子 (Arrow Electronics)。