车载网络系统的发展和解决方案

车载网络系统的革命性发展

随着汽车电气化的快速发展，除了朝向电池驱动的纯电化发展之外，传统车辆也开始采用大量的电子系统，通过部署大量的传感器、处理器和执行器来提升功能、安全性和效率，车辆的复杂性正迅速增加。随着汽车技术的发展，对车载网络（IVN）系统的需求也与日俱增，需要更高的带宽和更低的延迟通信来确保功能和安全。本文将为您介绍车载网络系统的发展，以及由安森美（onsemi）所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

随着汽车电子应用的发展，多年来，市场上已经制定了几种主要（或专门）用于车载网络的协议，虽然每种协议都有独特的属性，但由于架构的不断变化和车载网络内传输的大量数据，这些协议仍然难以满足当今汽车的需求。因此，汽车制造商正在寻找新的方案来提供必要的性能和带宽。

在各种网络协议之中，以太网曾是一种显而易见的选择，因为它在计算领域被广泛采用，带宽相对较高，成本合理。然而，它应用于汽车有一个显着的缺点，就是无法以时间敏感模式或确定性模式运行。这是由于以太网运行所固有的载波侦听多路访问／冲突检测（CSMA/CD）协议导致的。

为了使汽车行业能够利用以太网的优势，已经制定出一种新的协议。这种汽车专用协议版本被称为10BASE-T1S，它用物理层冲突避免（PLCA）取代了CSMA/CD，以实现对于线控驱动和高级驾驶辅助系统（ADAS）至关重要的确定性运行。

由于具备高带宽和低延迟的特性，汽车以太网越来越广泛地用于车载信息娱乐系统和ADAS系统。以太网对于实现诸如车辆到车辆（V2V）和车辆到基础设施（V2I）通信等连接功能发挥重要作用，这对提升安全管理至关重要。

随着车辆越来越依赖数据驱动，对更高带宽的需求也将不断增长，以支持自动驾驶、高清/4K视频流和增强现实应用等先进功能。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备超低延迟，以实现自动驾驶的快速决策和响应。

建立完善的车辆架构和成像解决方案

对于汽车制造商来说，车辆内不同子系统的组织和互连是需要考虑的重要因素。通常，子系统按功能（例如，传动系统、底盘、舒适度）进行组织，而与它们在汽车中的位置无关。这会导致布线数量增多，从而增加车辆的成本和重量。

近来，首选方法是根据子系统在汽车中的位置将其“分区”，分区架构兼具扩展性和灵活性，能够相对轻松地执行删除、添加或升级子系统等更改。它还允许部署冗余和容错组件，这对于实现关键系统所需的功能安全级别至关重要。

虽然分区架构的设计减少了对布线的需求，但也显着增加了车载网络骨干传输的数据量，需要更高的带宽、性能和低延迟。为实现自动紧急制动（AEB）等ADAS功能，传感器和控制电子器件遍布整个汽车，安全可靠的系统运行依赖于时间敏感网络（TSN），以消除任何延迟差异。

毫无疑问，具确定性的10BASE-T1S以太网将在未来车辆中发挥重要作用，特别是在分区架构的骨干网络方面。MOST和FlexRay等协议不太可能在新设计中使用，但预计LIN和CAN将继续发挥作用，特别是在各个“分区”内。

此外，还将继续进一步制定其他协议，包括MIPI联盟的摄像头串行接口2（CSI-2）和显示器串行接口（DSI-2），这些协议对于当今汽车中ADAS和信息娱乐系统连接高分辨率摄像头、传感器和显示器至关重要。另外，MIPI联盟和汽车SerDes联盟（ASA）正在开发标准化SerDes方案，并致力于研究提高MIPI协议的安全性，并实现摄像头的非对称以太网，其中涉及以高带宽进行发送、以较低带宽进行接收。但最重要的架构变化是CAN将不再作为主要车辆通信骨干的默认协议，而是由以太网承担这一角色。

车载网络种类的基础知识

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。

LIN：

LIN采用12 V架构，是基于通用SCI (UART)字节字接口的单线串行通信协议，其最大速度可达20 kb/s（EMC/时钟同步），主设备控制介质访问，负责无仲裁或冲突管理，以保证延迟时间，具有从节点的时钟同步机制（不需要石英或陶瓷谐振器），可在其他从节点中未更改硬件／软件的情况下添加节点，其通常少于12个节点（64个标识符和相对较低的传输速度）。

LIN物理层的Vsup介于7V和18V之间，由于对坡度和对称性的严格要求，其占空比的最小值为39.6%，最大值为58.1%（总线负载为1 µs和5 µs之间的时间常数：1k/1 nF 660/6.8 nF 500/10 nF），异步振荡器则拥有小于14%的宽容值。

LIN的通信理念是由主任务发起的通信（消息头），识别标识符后激活从站任务，以启动消息响应（1-8个数据字节加上1个校验和字节），支持数据正确性的奇偶校验与校验和。

CAN：

CAN（控制器局域网）则是另一种车载网络的主流协议之一，在CAN通信中，所有设备都是平等的，可以随时进行通信。如果发生冲突（两个设备同时通信），则使用仲裁来确保消息被理解。

CAN支持异步通信（事件触发），当总线安静时任何节点都可以访问总线，其采用非破坏性仲裁，可100%使用带宽而不丢失数据，低优先级消息的延迟较大，高优先级消息的延迟较低，支持基于11位（或扩展29位）数据包标识符的可变消息优先级，可进行自动错误检测、信号发送和重试，CAN使用双绞线电缆以高达1 Mb/s的速度与多达40个设备进行通信。

CAN的物理层总线需要线路端接，ISO 11898标准将电缆的阻抗定义为120 ± 12 Ω，需要采用屏蔽或非屏蔽双绞线。CAN总线仲裁时，如果两个消息同时通过CAN总线发送，总线将采用信号的“逻辑AND”，因此，具有最低二进制数的消息标识符获得最高优先级，每个设备都会侦听通道，并在发现总线位与其标识符位不匹配时退出。CAN支持灵活数据速率，为了增加带宽，引入了CAN灵活数据速率作为CAN的扩展。

Flexray：

Flexray协议则与火车时刻表一样，总线的所有FlexRay流量均使用时隙精心安排，其高数据速率高达10 Mb/s，支持时间和事件触发的行为、冗余、容错能力与确定性（使用“时隙”）。FlexRay可满足线控应用（即线控驾驶、线控转向、线控制动等）的容错性、速度和时间确定性性能要求。

FlexRay物理层的静态段是为按固定周期到达的确定性数据保留的时隙，动态段则用于更广泛的不需要确定性的基于事件的数据（参考自CAN协议），其符号窗口通常用于网络维护和启动网络的信号，网络空闲时间则用于维持节点时钟之间同步的已知“安静”时间。

以太网：

以太网则包括100Base-T1、1000Base-T1，采用单双绞线，支持全双工，速率可达100/1000 Mbps，电缆长度至少可达15 m，采用差分信号通过电容器耦合到双绞线中，物理层将位转换为符号（3位转换为2个符号），符号的值可以是+1、0或-1，对应于三个不同的差分电压电平，支持点对点通信，若是更复杂的网络则需要交换机，为了保持同步，即使没有节点打算发送数据，通信也会持续进行。

100Base-T1的物理层链路伙伴之一是主站（启动训练），第二个是从站（使用时钟恢复形式数据流将其时钟与主站同步）。由于物理层使用PAM3（3位转换为2个符号），其波特率为66 MBd/s，可支持两个链路伙伴同时传输符号，因此可能会观察到5个不同的差分电压电平，待传输的数据可与旁流相结合，具有扰码器（伪随机流）可实现更好的EMC性能。

10Base-T1S则是通过单根双绞线电缆传输速率为10 Mbps，长度至少为15 m，支持点对点半双工通信，可选功能包括全双工点对点操作、半双工多点（CAN、FlexRay、LIN等总线拓扑）操作，也可进行多点操作，支持1个主站，最多至少8个从站。主站通过信标发起通信，然后每个从站都有机会发送数据，该协议称为物理层冲突避免（PLCA）。

安森美深耕车载网络提供广泛产品组合

安森美深耕车载网络领域30余年，拥有广泛的产品组合，并提供值得信赖的客户支持和应用支持。安森美的产品组合涵盖现有所有主流的车载网络技术，例如LIN、CAN和FlexRay，同时安森美继续提供不断增强的知识产权（IP），以更好地满足汽车行业的要求和需求。

随着10BASE-T1S以太网对汽车行业的重要性不断增加，安森美会将大部分开发资源集中于此。继最近发布的方案之后，安森美正在开发具有更高性能的第二代产品，以帮助行业持续推动分区架构和自动驾驶技术。

凭借30多年为汽车行业提供支持和完整的AEC合格产品组合，安森美使客户能够设计高可靠性解决方案，为最终用户创造价值，同时提供峰值性能。安森美在ADAS领域占有重要地位，除了高性能图像传感器、激光雷达探测器和广泛的合作伙伴生态系统外，安森美还提供全面的产品组合，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、强大而灵活的开发套件，以及经验丰富的应用支持，其关键组件均符合ISO-26262/ASIL标准。

结语

随着汽车搭载的电子系统越来越多，车载网络的重要性也与日俱增，本文介绍的车载网络技术将广泛用于汽车电子系统的连接，提供更多的功能性与更高的安全性。安森美深耕汽车电子领域超过30年，能提供完整的车用电子解决方案，若有更深入的需求，请直接与安森美或艾睿电子联系。