通过车载以太网提升数据网络

今天的汽车正迅速成为车轮上的数据中心

碰撞检测、车道偏离预警和自动驾驶等功能已经或者即将进入市场。这些出色的安全特性需要车辆具备强大的安全数据处理、网络通信和存储能力。一个典型的例子就是后视或环视摄像头系统等高级辅助驾驶系统（ADAS），它们就需要很高的数据吞吐量。

汽车技术下一步发展的行业口号是“更大带宽”，以太网/车载网络（IVN）就可以实现这种能力，它可以通过车辆中无处不在的物理网络提供高速通信主干。那么，我们要如何实现这一目标呢？

接下来，我们将探讨各种单对以太网标准，并解释它们如何协同工作，为摄像头视频、GPS、关键安全系统等各种应用构建优化的车载通信网络。

单对以太网（SPE）

图1：单对以太网，每对双绞线的传输速率为100MBit/s或1GBit/s 具备双向传输能力。（图源：贸泽电子）

全球大多数以太网电缆以传统的以太网布线方式作为标准，使用两对线缆来传输数据；而车载以太网采用的是单对、双向、双绞、非屏蔽的布线方式，并通过数据线供电（PoDL）技术，在传感器和云端之间实现并行、高性能的数据和电力传输。

这项技术可以让电缆的重量更轻、成本更低，并可以减少车辆内部空间占用，从而提升燃油效率、简化安装过程。

单对以太网技术基于多项IEEE标准。其中，IEEE 802.3bw和802.3bp是首批相关标准，分别对应100BASE-T1和1000BASE-T1技术，能够支持100Mbps/15m和1Gbps/40m的速度和距离限制。这些基于标准的技术可以轻松满足未来汽车的需求。

这两项标准正推动诸多车载创新应用的发展，例如车内通信、测量与校准、通过DoIP进行诊断，以及电动汽车与充电桩之间的通信等。以太网为车辆提供了灵活的模块化结构，同时也非常适合车辆中的特定安全解决方案。此外，以太网在互联网上也具有安全性。

传统以太网与车载以太网

以太网技术可用于车内通信、测量与校准，以及通过DoIP进行诊断。DoIP通过将诊断信息封装在以太网帧中，实现诊断测试仪与车辆间通信。使用DoIP访问车辆时，可通过现有诊断连接器的可自由分配引脚实现向后兼容。DoIP能够轻松集成到各种网络结构中，甚至包括WLAN。
车载以太网是一种不同于传统以太网，并且要求更高的技术。所有车规级以太网产品都需要通过AEC-Q100认证，并且要支持汽车行业的生产件批准程序（PPAP）。

车载以太网与标准以太网的一个主要区别，在于汽车应用中的EMC和温度环境要严苛得多。此外，车载技术还需要更高的平均无故障时间（MTBF）以确保更高的可靠性。可重复性/更高的MTBF和可预测性对于汽车安全至关重要，因为一旦发生故障，便可能导致人员伤亡，因而车载应用必须符合安全/ASIL（ISO26262）标准。

在某些车载以太网应用中，硬件认证是必需的。车辆传动系统通常需要更低的延迟，以便在公路和道路行驶中实现快速反应。此外，电子控制单元（ECU）的硬件和软件也必须进行验证。一辆普通的汽车内会安装100多个ECU，用于控制制动、发动机、变速器（传动系统）、转向、摄像头、无线通信等各个方面。

图3：车载16位微控制器（图源：贸泽电子）

这些器件设计用于极端工作条件，即使在极端温度下也能提供实时响应和高可靠性。

当今车载技术

一辆普通的汽车内会安装多种通信系统，包括CAN、LIN和FlexRay等。这些系统将在汽车中继续存在一段时间。不过，以太网才是车载网络的未来，尤其是单对以太网，它可以在一条链路上传输比当前CAN总线快100倍的数据。

根据IEEE的规定，到2020年底，所有主要原始设备制造商（OEM）都应在量产车型中采用100BASE-T1规范，通过非屏蔽电缆实现100Mb/s的数据传输速率，从而取代大多数其他车载通信系统，并有助于降低车辆成本。

100BASE-T1于2013年首次应用于量产车型，并于2015年通过IEEE 802.3bw《IEEE以太网标准修订案1：单对平衡双绞线电缆100Mb/s传输的物理层规范和管理参数（100BASE-T1）》实现标准化。LAN8770就是一款符合100BASE-T1规范的以太网PHY收发器。（请参阅以太网评估板EVB-LAN8770-RMII™，这款插件卡可直接连接到匹配的Microchip主机处理器或控制器板。）

汽车从外部接收的信息越来越多，必须通过快速连接来为终端用户处理这些数据。（来源：BlackBoxGuild - shutterstock.com）

下一代的1Gb/s技术如今也已应用于汽车领域；1000BASE-T1（2016年，IEEE 802.3bp™《IEEE以太网标准修订案4：单对双绞线铜缆1Gb/s传输的物理层规范和管理参数》）和1000BASE-RH（2017年，IEEE 802.3bv™《IEEE以太网标准修订案9：塑料光纤1000Mb/s传输的物理层规范和管理参数》）已于2019年启动首次量产（SOP）活动。

另外两项新的IEEE标准化规范速度分别为10Mb/s（IEEE 802.3cg™）和2.5/5/10Gb/s（IEEE 802.3ch™），分别于2019年和2020年发布。10Gb/s以上的标准化工作（IEEE P802.3cy™和IEEE P802.3cz™）正在进行中。

与车载以太网竞争的通信技术

100Mb/s和1000Mb/s以太网解决了车载网络（IVN）技术在速度上的明显差距。然而，车载以太网在各个新的速度等级中都面临着更多竞争对手：低速方面有FlexRay、各种CAN变体和A2B音频总线，高速方面则有SerDes、USB和PCIe。通常，专用技术在初期会具备优势，因为它们针对特定用例和领域进行了量身定制和成本优化。2.5/5/10G Base-T1将在2025年应用于ADAS和自动驾驶汽车，每辆车平均配备100多个以太网端口。

为单一用途开发的技术应用于其他用途时，可能会迅速暴露出僵化、高成本的问题。而像以太网这样的全球标准化技术，会在测试机构、供应商、智能工具、培训以及多样化产品组合等构成的认证生态系统支持下不断发展，这对于OEM在降低风险等方面至关重要。