“干掉”汽車CAN總線以后，10BASE-T1S還要”干掉“MCU？

隨著汽車電子電氣架構向區(qū)域控制演進，以太網(wǎng)逐漸成為車載網(wǎng)絡的核心技術。10BASE-T1S以太網(wǎng)以其輕量化、高效率和安全性，正逐步取代傳統(tǒng)的CAN和LIN總線，推動汽車智能化發(fā)展。這一變革不僅簡化了車輛內(nèi)部網(wǎng)絡，還下降了成本，為更先進的功能和性能鋪平了道路。

目前，汽車內(nèi)的電子控制單元（ECU）數(shù)量正在呈指數(shù)級增長，從平均20-30個，飆升至100多個，甚至數(shù)百個。如此大量的ECU勢必會對車內(nèi)網(wǎng)絡帶來挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)傳輸速度慢、延遲高、可靠性差，嚴重制約了汽車功能的升級和發(fā)展。

而現(xiàn)在，隨著汽車電子電氣架構（E/E）架構逐漸向區(qū)域架構（Zonal）架構發(fā)展，此時，為了解決車載網(wǎng)絡的需求和挑戰(zhàn)，目前車載總線通信正逐步由“CAN總線為主、其他總線為輔”的分布式架構，向“以太網(wǎng)為主、CAN及其他總線為輔”的域集中式架構轉(zhuǎn)變。

自從2020年，10M車載以太網(wǎng)即10BASE-T1s，也即IEEE802.3cg標準發(fā)布以來，消滅老舊的CAN\LIN總線的腳步越來越快了。事實上，除了替代原有總線，它還有一個重要的任務——消滅汽車內(nèi)多余的邊緣MCU。

這到底是為什么，又該怎么做，我們從汽車的架構的演進開始講起。

過渡到基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構

提到Zonal，可能有人會有些陌生，它是一種汽車電子電氣架構 (Electrical/Electronic Architecture，簡稱EEA)。大家都認為，Zonal架構可能會是汽車E/E的終極架構。汽車電子電氣架構大概分為三代，從分布逐漸向更高集成度靠攏，我們現(xiàn)在主流應用的架構是第二代，Zonal則是第三代：

第一代為Flat（分布式架構）。它就像部落制，每個電子功能都擁有自己的ECU。 此時期，架構缺點很明顯，各ECU間基本處于封閉的網(wǎng)絡狀態(tài)，既無法實現(xiàn)功能協(xié)同，更無法具備OTA升級條件。與此同時，當汽車越來越豪華，功能越來越豐富，車上就出現(xiàn)了上百個ECU，每個ECU各自為政，想要它們交換信息，每一個ECU都需要一條線束控制和傳遞，所以這種架構很復雜、很難擴展；第二代為Domain（域控制）架構。它就像諸侯制，按照功能把車里面計算需求進行歸類比如博世將整車架構劃分為五個域，即動力域（Power Train）、底盤域（Chassis）、車身域（Body/Comfort）、座艙域（Cockpit/Infotainment）、自動駕駛域（ADAS），而此時負責處理這些工作的核心就是域控制器（Domain Control Unit）。表層來看，這種分類非常清晰，但在車上的走線卻非常復雜，因為每個功能實際所處位置遍布全車身，最終造成線束在車里繞來繞去；第三代為Zonal（區(qū)域控制）架構，雖然也是按照區(qū)域分類，不過主要是按照物理位置的方式去歸類，更像郡縣制。特斯拉的Model 3是最早采取這個架構的汽車，分為前車身、左車身、右車身三個物理的區(qū)域，對應布置三個區(qū)域控制器ZCU（Zonal Control Unit），所有端側(cè)執(zhí)行器就近接入ZCU中，變成典型的IT計算架構，線束也更加簡潔。

汽車E/E架構演進，圖源｜Cadence

不過，架構改變了，此時車載網(wǎng)絡的問題便越來越凸顯了。

最初，這些汽車子系統(tǒng)采用針對特定功能優(yōu)化的通信技術，即所謂的領域?qū)Ｓ糜布軜?。這種方法需要多個應用專用總線在不同域之間傳輸數(shù)據(jù)，因此需要網(wǎng)關計算機在各種硬件架構之間轉(zhuǎn)換信息。由于需要管理多達20種網(wǎng)絡標準，汽車生產(chǎn)商尋求一種更精簡的解決方案，為其通信基礎設施提供一個通用平臺。

大家還發(fā)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)協(xié)議的傳輸速率較低，比如LIN最大支持20 kb/s，CAN為1 Mb/s，CAN FD為5 Mb/s，F(xiàn)lexRay則為10 Mb/s。

因此，汽車正快速成為使用以太網(wǎng)設備的主要領域，在汽車中廣泛部署以太網(wǎng)則成為成功推出這些新架構的關鍵基礎之一。以太網(wǎng)帶來了所需的擴展能力，支持多種速率等級，是一種成熟可靠的傳輸媒體，支持基于服務的架構，采用充分開發(fā)的安全和防護構建模塊。以太網(wǎng)采用定義明確、易于理解的OSI模型，可以更輕松的管理整個車輛的復雜網(wǎng)絡。

汽車的區(qū)域架構，圖源丨ADI

向基于以太網(wǎng)的區(qū)域架構的過渡有很多好處，通過采用單一通信技術，汽車生產(chǎn)商可以簡化車輛內(nèi)部網(wǎng)絡，下降維護多種通信標準所帶來的復雜性和成本。這種簡化的方法不僅提升了車輛性能，也為更先進的功能和性能鋪平了道路。

10BASE-T1S以太網(wǎng)：連接數(shù)字世界和物理世界

以太網(wǎng)的概念已存在50年，IEEE?規(guī)范于40年前發(fā)布，主要用于在計算機之間傳輸大量數(shù)據(jù)。然而，數(shù)字計算世界與汽車物理世界之間的接口仍然依賴于硬件，并且針對特定領域。因此，以太網(wǎng)被人們看中。

不過，做到汽車上的以太網(wǎng)，也不是簡單粗暴地復制粘貼，而是有特殊需求。汽車電子電氣架構對以太網(wǎng)技術提出了特殊要求，其中最核心的是輕量化需求。當前汽車線束系統(tǒng)作為整車最重的三大組件之一，重量可達60公斤，直接影響著車輛的續(xù)航表現(xiàn)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用4對差分線的布線方式，不僅增加車身重量，也提升了系統(tǒng)復雜度，難以滿足汽車應用場景。此外，以太網(wǎng)并非專門針對汽車環(huán)境而設計，缺乏電磁兼容性（EMC）和低能效等特性。

為滿足汽車通信鏈路的所有需求，汽車行業(yè)對單條雙絞線電纜解決方案進行了標準化，這推動了新型PHY技術的開發(fā)?；诖?，xBASE-T1汽車以太網(wǎng)標準（T1代表單條雙絞線電纜）應運而生。10BASE-T1S便是IEEE 802.3-2022系列以太網(wǎng)標準的組成部分，OEM已開始實施這項以太網(wǎng)PHY技術，相關車輛計劃在2025年前上路行駛。

10BASE-T1S以太網(wǎng)是一種多點總線，使用單對線纜作為主干。傳感器和執(zhí)行器直接連接到該線纜，無需使用以太網(wǎng)交換機連接多個設備。當數(shù)據(jù)接收并需要發(fā)送到更高速的互連時，只需一個帶有10BASE-T1S端口和其他更高速端口的簡單交換機即可。無需特殊的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，因為以太網(wǎng)網(wǎng)絡上的每個設備都使用相同的以太網(wǎng)幀格式。

10BASE-T1S以太網(wǎng)的開發(fā)是汽車網(wǎng)絡發(fā)展史上的一個重要里程碑。通過提供標準化且高效的傳感器和執(zhí)行器連接方式，10BASE-T1S以太網(wǎng)彌合了數(shù)字世界與物理世界之間的鴻溝。該技術可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理和通信，使車輛可以更快、更準確地響應不斷變化的路況。

區(qū)域架構與域架構，圖源丨Microchip

10BASE-T1S獨特之處在于：第一，支持多點拓撲結構，所有節(jié)點都通過同一對非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供一個優(yōu)化的BOM，只需在每個節(jié)點上部署一個以太網(wǎng)PHY，無需采用與其他以太網(wǎng)技術關聯(lián)的切換或星型拓撲，該標準規(guī)定必須支持至少8個節(jié)點（可以支持更多節(jié)點），總線長度必須達到25米；第二，物理層沖突規(guī)避(PLCA)，顧名思義，就是避免共享網(wǎng)絡上發(fā)生沖突。這種配置確保確定性最大延時主要由網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量和要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量決定，每個節(jié)點都會獲得傳輸機會，如果彼時一個節(jié)點沒有數(shù)據(jù)要傳輸，它會將傳輸機會移交給下一個節(jié)點，以充分利用可用的10 Mbps帶寬；第三，功耗極低，與傳統(tǒng)的CAN協(xié)議相比，10BASE-T1S使用的傳輸電壓為1 VPP，可以在3.3V電源下工作，而CAN通常需要5V電源；第四，更安全，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡協(xié)議如CAN和FlexRay并不具備內(nèi)置的安全機制，而10BASE-T1S則可以直接利用以太網(wǎng)的安全特性。

單對以太網(wǎng)IEEE 802.3cg規(guī)范提供長距離（10BASE-T1L）和短距離（10BASE-T1S），圖源丨ONsemi

10BASE-T1S在汽車領域的應用廣泛多樣，多種傳感器和驅(qū)動器在車身領域、舒適性、信息娛樂以及ADAS系統(tǒng)中的跨多個功能應用仍在探討中。目前，廠家主要推進10BASE-T1S在車內(nèi)邊緣節(jié)點的應用，如雷達、氛圍燈、LED燈光系統(tǒng)、門鎖系統(tǒng)等。

摘自IEEE802.3cg規(guī)范圖148?1，圖源丨ONsemi

目前，對于基于以太網(wǎng)的Zonal架構，行業(yè)提出了兩個階段：

第一階段：需兼容老舊的CAN和LIN，每個區(qū)域控制器都要增加網(wǎng)關，這會造成硬件成本上升，軟件開發(fā)周期變長，還需要物理開發(fā)版和CAN專用工具；第二階段：采用全以太網(wǎng)，徹底“干掉”CAN/LIN 和網(wǎng)關，網(wǎng)絡變得簡潔高效，能顯著節(jié)省軟硬件成本和線束成本。

10BASE-T1S總線拓撲，圖源丨ADI

一些MCU，也要被“干掉”了？

在實施10BASE-1TS過程當中，不僅一些CAN總線要消失了，一部分MCU可能也要被“干掉”了。

安森美（ONsemi）便在去年創(chuàng)新性推出了無微控制器（MCU-less）前照燈解決方案，采用10BASE-T1S以太網(wǎng)接口，逐漸取代了傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡或LIN網(wǎng)絡結構，能通過ECU-Light架構實現(xiàn)區(qū)域控制，實現(xiàn)了每個節(jié)點的汽車以太網(wǎng)化。

該方案通過將控制邏輯集成到RCP芯片中，無需使用MCU，不僅簡化了系統(tǒng)結構、下降了成本，還讓軟件更新更便捷，系統(tǒng)功能擴展更輕松。軟件層之間可進行控制、報告、用戶界面/應用程序接口等數(shù)據(jù)交換，這不僅提升了性能，還讓車輛能更好地適應新技術和市場的需求。

此外，該解決方案憑借高度集成的設計，實現(xiàn)了市場最小尺寸和最低BOM成本。其驅(qū)動器支持單片升壓和降壓通道，集成了電流傳感器，無需額外分流電阻，優(yōu)化了成本、尺寸和效率。

安森美憑借技術先發(fā)優(yōu)勢，其無MCU方案已進入客戶驗證階段。相比競品的集成MCU方案，該方案更契合汽車電子架構向中央計算平臺演進的大趨勢——通過算力集中化，不僅優(yōu)化了系統(tǒng)架構，更為軟件定義車燈提供了靈活空間，支持未來通過OTA持續(xù)升級燈光功能。

ONsemi的無MCU方案，圖源丨ONsemi

ADI在今年慕尼黑電子展上，展示了無MCU的10BASE-T1S方案。

基于以太網(wǎng)，ADI也開發(fā)出了E2B（Ethernet to the Edge Bus）邊緣以太網(wǎng)總線，基于10BASE-T1S協(xié)議，從而推動分布式電子電氣架構向域控架構演進。ADI中國區(qū)汽車業(yè)務市場經(jīng)理張遠濤認為，實現(xiàn)全車以太網(wǎng)化的關鍵之一，就是子節(jié)點及外設的以太網(wǎng)化，這也是E2B替代CAN、LIN的根本動力。通過E2B的10兆以太網(wǎng)技術，可以將軟硬件深度解耦，軟件層用戶無需關注底層端設備類型，可直接通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸；另外，這也是為軟件集中化部署奠定基礎，通過軟件解耦，使軟件可以高效集成至域控制器上面去集中。

張遠濤表示，ADI的E2B已經(jīng)將總線協(xié)議集成到了芯片中，這就意味著端點無需額外配置MCU，即可直接控制，下降了產(chǎn)品的開發(fā)門檻，尤其是軟件編寫者們。另外，ADI的E2B通過SPI實現(xiàn)控制，無需以太網(wǎng)的MAC模塊。其具體解釋道：“傳統(tǒng)的CAN和LIN協(xié)議的控制，需要先將命令打包成CAN協(xié)議或者LIN協(xié)議，再傳到遠端的MCU上進行解析，最后才到達控制系統(tǒng)。ADI通過E2B在芯片內(nèi)進行硬解析，然后將I2C或SPI的控制信號打包成以太網(wǎng)信息發(fā)到接收端，然后節(jié)點的E2B芯片進行硬解碼，再通過GPIO口，控制節(jié)點的相關器件?！?/p>

另外，張遠濤提到，E2B支持TSN時間同步，這對于汽車節(jié)點控制而言至關重要。在站臺現(xiàn)場，ADI演示了利用E2B實現(xiàn)兩個雨刮器的同步執(zhí)行。去年3月，寶馬宣布將成為首批部署E2B的OEM，并計劃在未來的汽車座艙氛圍照明系統(tǒng)中采用這項技術。當然未來E2B的潛力不止如此，在電機、傳感器、車身等等傳輸與控制上都有可能。

可以看出，這兩家的方案，都瞄準了車燈。無MCU車燈方案正在重新定義汽車照明的價值內(nèi)涵。這一創(chuàng)新方案推動車燈從基礎功能件升級為智能交互終端，在安全與體驗兩個維度實現(xiàn)突破：自動駕駛場景下，依托矩陣LED和像素級調(diào)光技術，車燈能根據(jù)環(huán)境感知數(shù)據(jù)實時調(diào)整光束，實現(xiàn)自適應遠光等安全功能；在用戶體驗端，通過域控制器算力支持豐富的動態(tài)燈光效果，并開放用戶自定義功能，成為品牌差異化的新觸點。

隨著汽車智能化發(fā)展，車燈作為重要的視覺交互界面，其戰(zhàn)略地位持續(xù)提升。這種創(chuàng)新的方案創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在硬件架構簡化，更開創(chuàng)了"硬件預埋+軟件增值"的商業(yè)模式，為車企創(chuàng)造了功能迭代和增值服務的新機遇。未來，車燈還可能承擔V2X通信等更高級功能，在車路協(xié)同生態(tài)中扮演關鍵角色。

汽車以太網(wǎng)戰(zhàn)火升級

隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，基于以太網(wǎng)的架構的采用將在塑造汽車技術的未來方面發(fā)揮關鍵作用，確保車輛保持互聯(lián)、高效和創(chuàng)新。統(tǒng)一車輛通信架構最初只是一個概念，如今即將成為現(xiàn)實。目前道路上的一些車輛已經(jīng)將以太網(wǎng)用作其IT架構，而采用擴展到物理數(shù)字接口的全新分區(qū)架構的車型即將投入生產(chǎn)。

以太網(wǎng)從IT到汽車應用的演變歷程，充分證明了標準化的力量以及跨行業(yè)合作推動技術進步的潛力。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)將在塑造未來汽車方面發(fā)揮關鍵作用，開創(chuàng)一個以效率、安全和互聯(lián)為核心的全新出行時代。

目前，可以看到很多廠家都在開始加大對于汽車以太網(wǎng)上的投入力度。

今年4月，英飛凌宣布收購Marvell汽車以太網(wǎng)業(yè)務，引發(fā)了行業(yè)關注。有工程師表示：“英飛凌眼光很毒的，包括他的SiC研發(fā)路線。真的強的可怕，技能樹好像就沒點歪過。以太網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)一統(tǒng)天下，這個短版補的及時?！备鶕?jù)英飛凌官微消息披露，英飛凌簽署了一項以25億美元收購Marvell Technology汽車以太網(wǎng)業(yè)務的協(xié)議。通過此次交易，英飛凌將其領先的汽車MCU產(chǎn)品組合與Marvell的汽車以太網(wǎng)業(yè)務相結合，提高自身在軟件定義汽車領域的系統(tǒng)能力。此前，英飛凌基于Microchip10BASE-T1SPHY推出了相關套件。

Microchip在10BASE-T1S中布局很早，2023年7月就推出了首批車規(guī)級10BASE-T1S以太網(wǎng)器件，符合AEC-Q100一級資質(zhì)，型號包括LAN8670、LAN8671和LAN8672。緊接著在2023年9月就推出符合汽車應用要求的LAN8650/1 MAC-PHY系列新器件，LAN8650 和 LAN8651 MAC-PHY包括一個媒體訪問控制器（MAC）和串行外設接口 （SPI），用于連接汽車網(wǎng)絡邊緣的設備。

最近，Microchip展示了一個無需以太網(wǎng)交換機即可連接眾多傳感器和執(zhí)行器的演示。該演示展示了如何使用該技術連接車輛內(nèi)的各種傳感器和執(zhí)行器。該演示包含壓力、接近、光線和其他傳感器，它們可以捕獲真實世界的數(shù)據(jù)，然后由集中式計算平臺進行處理。處理后的數(shù)據(jù)用于控制電機、風扇、燈光和顯示器，進而與物理世界進行交互。

多傳感器和執(zhí)行器演示，圖源丨Microchip

總之，目前市場對于汽車10BASE-T1S、100BASE-T1、1000BASE-T1甚至是10GBASE-T1的關注度都非常高。無論是有MCU方案，還是無MCU方案，無論是MCU廠家、PHY廠家、交換機芯片廠家都在加大投入。反觀CAN領域，隨著CAN XL的推出，行業(yè)在總線領域也充滿著無限可能性。未來，這一領域或許也呈現(xiàn)百花齊放的場景。