车载以太网硬件

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车载以太网技术的应用在OSI模型中主要涉及物理层与数据链路层两部分。其中物理层定义了数据传送与接收所需信号、状态等信息，同时在应用过程中向数据链路层相关设备提供标准接口。而数据链路层通过MAC（Media Access Control）芯片向系统提供寻址机构、数据帧构建、为网络层提供标准的数据接口等功能。在端到端的数据传输过程中，应用车载以太网技术涉及到的物理层硬件通常包括：控制单元中的以太网物理层芯片（Physical Layer Chip，PHY）、线束总成以及传感器等，其拓扑架构如下示意：


图1 端到端车载以太网物理层拓扑架构示意
数据在此物理层架构中的传输过程是，PHY芯片通过线缆接收到对端传输过来的模拟信号，并经过解调和A/D转换后发送至数据链路层。其中，PHY芯片作为以太网技术应用中的基础芯片之一，它是一个复杂的数/模转换系统，经它传入线束端的数据为模拟信号，而从其传入MAC端的数据则是转换后的数字信号。但为了确保数据传输过程的安全有效，其在设计中通常包含有高性能的SerDes、ADC/DAC等设计，同时也包含有如滤波算法和信号恢复等DSP设计，同时该芯片可通过模/数电路对模拟信号与数字信号进行处理，以实现降噪、抗干扰、均衡、时钟恢复等功能。


图2 PHY芯片功能
而作为数据传输重要载体的线束，目前在以太网技术的应用中，主要是采用基于Broad R-Reach 技术的100BASE-T1非屏蔽双绞线（UTP），此线束可实现100Mbit/s及更高的宽带性能。相比于传统的总线，单UTP在整车上的应用不仅为系统带来了更高的传输速率，同时可减轻约30%的线缆总重量，并降低了约80%的连接成本。

在数据传输的过程中PHY芯片与MAC芯片根据应用领域的不同存在多种架构形式，其一是以传统消费类领域为主要应用的以太网技术，在此领域的应用中对CPU的性能通常并无过高要求，在采用较低性能的CPU时，将MAC与PHY芯片进行集成，可让设备整体的成本做到更低，其架构示意如下：


图3 消费类领域以太网架构
随着车载以太网技术的兴起，基于MAC的全数字电路与PHY的数模混合电路的差异，同时车载CPU的性能要求更高，可通过更高的制造工艺将MAC与CPU进行集成，在减少占用面积的同时总成本相对也好控制。因此在此领域的应用中通常将MAC芯片集成于MCU或CPU内，而PHY芯片则多采用独立存在的形式，此方式也是当前技术状态下车载领域应用中的主流方式，其架构示意如下：


图4 车载领域主流以太网架构
在芯片技术进一步得以发展的前提下，具有更高性能的芯片被推出，此阶段下原本独立的PHY芯片亦被集成于CPU中，但由于此方案受到成本及制造技术限制，在整车应用中并未形成规模，该方案架构示意如下：


图5 高集成以太网架构
综合上述所介绍的多方案中，我们以主流车载以太网芯片方案为例，其端到端的应用拓扑架构如下示意：


图6 端到端以太网技术拓扑架构
此过程中，当控制单元端收到由外部设备所发送的数据时，PHY芯片会将模拟信号转换为数字信号，再并经过解码得到有效数据，接着再经由相关接口传输到MAC。当控制单元向外发送数据时，MAC将通过MII/RGMII/SGMII等接口向PHY芯片传送数据，在PHY芯片收到数据后，会把并行数据转化为串行流数据，并按照物理层的编码规则进行数据编码，进而将数据再转换为模拟信号后将其传输出去。

在端到端的以太网应用中，由于节点少且数据较为固定，因此通过标准的车载以太网技术可满足应用需求。但伴随着EEA的发展，整车高性能ECU/传感器等节点常处于变动状态，基于此背景，端到端的以太网架构已无法满足整车应用需求，而代之以星型网络拓扑架构的车载以太网是整车常见的方案。

在此架构下，由于节点数量的增加与应用，数据量也随之激增，在此数据多流并发的情况下，系统需协调计算资源、数据资源以及其他相关资源来确保所有的时间关键任务都不会错过它们各自的截止时间。在面对此复杂调度问题上，采用传统的车载以太网技术会存在网络性能无法满足其确定性和实时性的要求。

以某应用为例，当多节点存在大量突发数据时，数据将在交换机中列队等待，此时网络将会出现拥堵，导致延时，进而影响数据传输的质量，而数据传输的不完整将会造成车辆运行中存在未知的安全风险。


图7 大量数据并发影响数据质量
为解决此跨ECU、跨域情况下的服务协调问题，进而保证不同域之间的通信确定性，当前在基于星型网络架构的车载以太网中，常通过时间敏感网络（TSN）等确定性调度技术的应用去实现精准的数据流量调度。该技术是在非确定性的以太网中实现确定性的最小时间延时的协议族，它不仅符合标准的车载以太网架构，同时还可保证多业务流量的共网高质量传输。在物理硬件上，通过TSN交换机的使用，可在保持现有以太网交换芯片多数逻辑的情况下，增加时间同步和输出接口整型逻辑去实现TSN交换功能。


图8 TSN关键技术
在汽车智能化、功能丰富化的趋势下，采用以太网为车载主干网络将是大势所趋，在此背景下，以太网相关硬件的发展将会迎来利好，而基于如TSN等技术的下一代以太网技术将依托于技术、成本、可靠性等方面的优势在车载应用中成为关键技术之一。