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汽车网络的演变：从特定领域到基于以太网的区域架构

长期以来，汽车一直是整个世界复杂性和创新性的缩影。现代汽车如今已成为高性能计算平台，能够处理海量数据，本质上就像车轮上的数据中心。这些汽车控制着众多子系统，这些子系统相互依赖信息，实现高度自动化，并通过各种传感器和执行器与物理世界进行交互。

最初，这些子系统采用针对特定功能优化的通信技术，即所谓的领域专用硬件架构。这种方法需要多个应用专用总线在不同域之间传输数据，因此需要网关计算机在各种硬件架构之间转换信息。由于需要管理多达 20 种网络标准，汽车制造商寻求一种更精简的解决方案，为其通信基础设施提供一个通用平台。

过渡到基于以太网的区域架构

汽车行业目前正在从这些旧式网络架构过渡到基于以太网的单一主干网。这种转变使得车辆能够被划分成不同的“区域”，从而能够通过基于 IP 的、无处不在的以太网更轻松地与集中式计算平台进行交互。汽车制造商与 IEEE 合作，帮助定义了一个物理层，该物理层只需要一对平衡线，而不是之前以太网安装中常见的 2 对或 4 对线。下图 1 展示了从特定领域的硬件架构到具有集中式计算平台的区域架构的过渡。

图1 从特定领域到区域架构的网络大趋势

向基于以太网的区域架构的过渡代表着汽车设计和功能的重大飞跃。通过采用单一通信技术，汽车制造商可以简化车辆内部网络，降低维护多种通信标准所带来的复杂性和成本。这种简化的方法不仅提升了车辆性能，也为更先进的功能和性能铺平了道路。

通用数据框架的好处

统一的数据框架使车辆系统和功能能够通过软件定义，从而降低延迟和复杂性。随着安全需求的不断增长，标准化机制可以对网络参与者进行身份验证并根据需要加密信息。以前的通信总线缺乏安全功能，需要采用多种方法来缓解安全威胁。

通用数据框架的优势远不止安全性和效率。通过标准化车辆内部的通信协议，汽车制造商可以更轻松地集成新技术和功能。随着自动驾驶、电动汽车（EV）和车联网技术的不断进步，汽车行业不断发展，这种灵活性至关重要。通用数据框架确保这些创新能够无缝融入车辆架构，从而提供更具凝聚力和集成度的驾驶体验。

简化的软件升级

使用通用网络可以简化软件升级，使设计人员能够使用单一方法部署更新，而无需为不同的数据链路定义方法。简化软件升级的能力将彻底改变汽车行业的格局。随着汽车越来越依赖软件驱动，定期更新和增强功能的需求也日益重要。通用网络基础设施支持无线（OTA）更新，使汽车制造商无需前往经销商即可部署新功能、修复错误并提升性能。这不仅提升了客户体验，还降低了维护成本和停机时间。

10BASE-T1S以太网：连接数字世界和物理世界

以太网的概念已存在 50 年，IEEE?规范于 40 年前发布，主要用于在计算机之间传输大量数据。然而，数字计算世界与汽车物理世界之间的接口仍然依赖于硬件，并且针对特定领域。为了解决这个问题，10BASE-T1S 以太网应运而生。

10BASE-T1S 以太网是一种多点总线，使用单对线缆作为主干。传感器和执行器直接连接到该线缆，无需使用以太网交换机连接多个设备。当数据接收并需要发送到更高速的互连时，只需一个带有 10BASE-T1S 端口和其他更高速端口的简单交换机即可。无需特殊的转换网关，因为以太网网络上的每个设备都使用相同的以太网帧格式。

10BASE-T1S 以太网的开发标志着汽车网络发展史上的一个重要里程碑。通过提供标准化且高效的传感器和执行器连接方式，10BASE-T1S 以太网弥合了数字世界与物理世界之间的鸿沟。该技术可实现实时数据处理和通信，使车辆能够更快、更准确地响应不断变化的路况。10BASE-T1S 以太网确保车辆各系统无缝协作。图 2 展示了这一概念的工作原理。

图2 区域架构与域架构

实际应用：演示

为了展示 10BASE-T1S 以太网的实际应用，Microchip开发了一个演示，展示如何使用该技术连接车辆内的各种传感器和执行器。该演示包含压力、接近、光线和其他传感器，它们可以捕获真实世界的数据，然后由集中式计算平台进行处理。处理后的数据用于控制电机、风扇、灯光和显示器，进而与物理世界进行交互。图 3 展示了演示板。

图3 多传感器和执行器演示

这种设置不仅凸显了 10BASE-T1S 以太网的多功能性，也凸显了其简化车辆通信系统设计和实施的潜力。10BASE-T1S 以太网使用单对多点总线，无需以太网交换机即可连接众多传感器和执行器。当数据在网络中流动时，一个带有 10BASE-T1S 端口的简单交换机即可连接更高速的连接，从而在整个系统中保持以太网帧格式的一致性。

为汽车制造商带来巨大利益

使用单一协议实现大多数功能，对于必须支持多种特定应用标准的汽车制造商来说，具有显著优势。每年的车型都会对高级驾驶辅助系统（ADAS）进行增强，这通常需要在未来配备新的摄像头、雷达、超声波传感器和激光雷达，以及对信息娱乐和导航系统进行更新。汽车的其他部件也会逐步增强，有时仅增加新的软件功能。

如今，车辆可能配备 40 种不同的线束、数十甚至数百个电子控制单元（ECU），以及长达数英里、重达 250 磅的电线。不同应用所需的各种电缆也带来了电磁兼容性（EMC）挑战，因为每种应用都有其独特的要求。

转向单一协议简化了车辆的内部架构，减少了所需的线束和ECU数量。这不仅减轻了重量和复杂性，还提高了可靠性和维护的便捷性。由于需要管理的组件减少，汽车制造商可以专注于提升车辆的性能和功能，从而提供更佳的整体驾驶体验。

满足未来需求

为了满足未来汽车的需求，未来汽车的代码行数将很快从目前的一亿行增加到数亿行，汽车行业正在向基于以太网的区域电子/电气（E/E）架构转型。该架构将传感器聚合到从区域网关到主干网和中央计算平台的单一链路中。

为了支持现代车辆日益复杂的特性，过渡到基于以太网的区域 E/E 架构至关重要。随着传感器、执行器和电子系统数量的不断增长，可扩展且高效的网络基础设施变得至关重要。以太网提供处理这些系统产生的海量数据所需的带宽和灵活性，确保车辆平稳高效地运行。

随着行业的不断发展，基于以太网的架构的采用将在塑造汽车技术的未来方面发挥关键作用，确保车辆保持互联、高效和创新。统一车辆通信架构最初只是一个概念，如今即将成为现实。目前道路上的一些车辆已经将以太网用作其IT架构，而采用扩展到物理数字接口的全新分区架构的车型即将投入生产。这种方法不仅简化了车辆设计，还为软件驱动的创新开辟了新的可能，因为曾经由硬件定义的功能现在可以通过软件实现和更新。

超越汽车：以太网的广泛应用

以太网的优势不仅限于汽车行业。工业应用也开始采用这项技术，这得益于对更高效、可扩展通信解决方案的需求。随着以太网在汽车以外的领域日益普及，规模经济将有助于降低成本，使其更易于普及，并吸引更广泛的应用。此外，随着关于如何构建和实施基于以太网的系统的知识不断扩展，在各个行业开发和部署这些系统将变得更加容易。

从本质上讲，以太网（特别是 10BASE-T1S 以太网）的采用，是汽车技术中融合虚拟世界和现实世界的关键一步。这项技术不仅能够实现未来车辆比以往任何时候都更智能、更安全、更互联互通，而且还为跨多个领域的更广泛创新奠定了基础。

以太网从IT到汽车应用的演变历程，充分证明了标准化的力量以及跨行业合作推动技术进步的潜力。随着汽车行业的不断发展，以太网将在塑造未来汽车方面发挥关键作用，开创一个以效率、安全和互联为核心的全新出行时代。