车载以太网挑战CAN总线

随着汽车智能化的发展，车载以太网成为先进汽车电子架构必不可缺的一部分，在中心节点，车载以太网已经占据绝对优势地位，但在边缘节点，CAN、CAN-FD和FlexRay等总线依然占据主要地位，特别是CAN。这使得汽车电子架构难以达到真正的Zonal级别，只能停留在域控制器级别。要想软件定义汽车或者说服务导向架构，Zonal架构都是必须要做到的。

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典型的Zonal架构，就是服务器的概念，通过车载以太网骨干网，超级计算核（即服务器或高性能计算即HPC）处理所有节点的计算需求。汽车变成类似于PC的架构，软硬件彻底分离，硬件统一，绝大部分工作都是软件，依靠LINUX等操作系统与自适应AUTOSAR，硬件对程序员完全透明化。

目前有两大领域，一个是传感器领域，一个是执行器领域，急需要车载以太网取代传统的CAN总线，传感器领域主要是超声波传感器、毫米波雷达传感器、用于紧急呼叫的麦克风，最后还有用于动力传递部分的位置、速度、压力、温度等传感器。执行器领域主要是灯光，包括前大灯，内部灯，氛围灯；扬声器，车门扬声器、超低音扬声器、紧急呼叫扬声器；最后是各种电机，包括车窗、各种镜子、泵、雨刷等。

2020年3月，IEEE发布了802.3cg标准，即10 Mb/s Single Pair(10SPE)，不仅可以用于汽车，还有工控和楼宇自动化领域。标准分两个，一个为10base-T1L，用于楼宇自动化和工控，最大距离1公里，全双工，点对点传输。另一个是10base-T1S，用于汽车，最大距离25米。宝马和通用已经确认将在下一代汽车中用10base-T1S取代CAN总线。

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10base-T1S只是物理层标准，链路层也有微小变化，其余无变化，对软件工程师来说完全透明，无需理会。

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上图为今天最先进智能车（当然不是特斯拉）的电子架构，谈到电子架构的先进程度，奔驰、宝马和通用都在特斯拉之上。特斯拉还在使用老旧的非车载级以太网。

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未来的汽车电子架构，CAN与FlexRay都被以太网取代。这种车载以太网就是10base-T1S。

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目前先进域控制器都是使用100base-T1或1000base-T1车载以太网，这种设计是性能至上，要想取代CAN，成本最关键。10base-T1S的出发点是三个，低成本、低功耗，低电磁辐射。这里的成本指整体成本，10base-T1S使用单对非屏蔽双绞线，无论连接器、线缆成本都比CAN要低，线缆重量也要低大约50%。此外可以通过以太网供电，无需单独供电线路。

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10base-T1S使用PLCA，即PhysicalLayer Collision Avoidance，物理层冲突避免。保证低延迟和高可靠性。其采用半双工机制，通过一个BEACON按日程表每周期通讯（cyclic communication scheduled over a BEACON），BEACON是一个坐标节点规律发送的标记，每发送一个BEACON，每一个节点都有机会发送数据 After each transmitted BEACON, each station is granted a transmitopportunity (TO)。

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10base-T1S采用CSMA/CD，Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection 载波监听多点接入/碰撞检测协议传输数据。但附加了PLCA，IEEE在测试中发现，附加PLCA后，带宽利用效率最高。

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附加PLCA后延迟也大大低于传统的CSMA/CD，不会高于1毫秒。为避免兼容性问题，PLCA是可选项，也可以不用，兼容一些比较老的MCU。

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10base-T1S的另一个特色是Multidrop mode，无需交换机或网关的加入即可实现多节点。

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这种网络架构里有一个称之为协调者Coordinator，其他为Drop Node，不太严格地说，协调者类似主，DropNode是从。

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10base-T1S可以兼容现在的TC6或TC14标准，但PCLA必须要802.3cg。

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软件方面，2020年11月版的经典AUTOSAR支持RMII/MII物理层，2021年11月版支持MACPHY。

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诊断、时钟同步和安全方面的特色如上，未来还会加入睡眠唤醒和新拓扑架构。

目前10base-T1S物理层芯片常见的只有Microchip的LAN8670/1/2，德州仪器和ADI正在开发中，它们有针对工控和楼宇自动化的10base-T1L物理层芯片。

LAN8670/1/2典型应用图

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LAN8670/1/2内部框架图

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10base-T1S暂时还无法撼动CAN总线在汽车领域的地位，但是CAN-FD和FlexRay将受到10base-T1S的强力挑战，拿下CAN-FD和FlexRay之后，10base-T1S会挑战CAN，届时车内只会存在以太网和LIN两种总线。