安森美10BASE-T1S解决方案破解车载网络瓶颈

随着软件定义汽车加速落地，高效、精简、适配车载场景的通信技术成为行业核心诉求。10BASE-T1S 作为专为车载与工业场景打造的以太网技术，为破解车载网络瓶颈统一提供了关键方案。

本系列将分两篇为您深度拆解安森美（onsemi）最新的 10BASE-T1S 技术白皮书。本文为第一篇，将聚焦架构演进与 10BASE-T1S 的核心价值。

区域控制架构

如今的汽车均需搭载精密复杂的电子通信网络。与办公场景中网线可隐匿于地毯之下、接口线缆便于手持布设不同，车载网络(IVN)的部署会受到更多物理条件的制约。

区域控制架构是工程师在物理空间极为受限的环境下实现电子器件间通信以支持大量并发电子功能的技术方案。各个电子功能会依据其在车内的相对邻近程度进行分组。

图 1：经优化的区域控制架构图

图 1 展示了现代汽车中的区域网络架构。在传统的域架构中，车辆各项功能均配备独立的电子控制单元 (ECU)，整车 ECU 数量多达 85-100 个；而区域控制架构可将 ECU 数量大幅缩减至 20 个左右。

激光雷达成像、车道偏离影像、防撞系统及先进驾驶辅助系统(ADAS)等需要更高带宽的功能，由中央区域控制器统一协调。ADAS通过边缘传感器采集的数据，实现车道偏离预警、防撞、盲区监测及泊车辅助等功能。从网络主干向边缘节点延伸，在越靠近网络边缘的区域控制器处，应用所需的带宽就越少。通过这种方式对功能进行聚类，低带宽功能（例如门锁传感器）就不会对高带宽功能（例如视频图像处理）造成瓶颈。在区域控制架构问世之前，这类瓶颈问题一直是行业内的重要技术难题。

对精简型以太网的需求

图 2：经典的办公室间以太网星型拓扑结构 [图表由 Umapathy 提供，遵循 Creative Commons 3.0 许可协议]

为保障效率，网络应尽可能采用端到端统一协议，避免因不同协议之间的转换而显著增加成本与复杂度。汽车整车厂商 (OEM) 一致认为：以太网是实现车载网络协议统一的理想选择。

以太网最初面向办公设备共享场景设计，后续演进为图 2 所示的星型拓扑点对点通信模式；因此，需对以太网标准进行适当补充，以适配车载网络的需求。若将网络中所有设备均连接至同一个中央交换机，会导致线缆数量过多，进而增加整车重量。

图 3：基本的 CAN 多点总线配置，两端各连接一个 120 Ω 电阻 [图表由 Stefan-Xp 提供，遵循 Creative Commons 3.0 许可协议]

控制器局域网 (CAN) 之所以长期成为车载网络的主流协议，核心优势在于其高性价比及如图 3 所示的多点总线拓扑结构。采用 CAN 协议时，工程师无需将各边缘器件逐一连接至中央交换机，而是可将一组器件（即传统架构中的“域”）挂载在同一条“共用线路”上实现通信。

然而，将边缘的 CAN 与以太网骨干网连接起来，会增加网络的整体复杂度，“CAN + 以太网”的模式需要增设网关、交换机与连接器等硬件。

10BASE-T1S 如何消除瓶颈

图 4：三台设备共享一条公共总线的 10BASE-T1S 配置，通过双绞线连接器同时传输电力与网络信号。

10BASE-T1S 是 10BASE 以太网标准的现代化版本，专为满足车载及工业场景的联网需求而扩展。如图 4 所示，10BASE-T1S 节点可通过单对双绞线以多点总线形式实现共享通信，既无需部署以太网交换机，也可彻底省去大体积的以太网/CAN 网关。

图 5：10BASE-T1S 控制器的三种器件配置选项及其连接方式

基于 10BASE-T1S 的网络中，每个网络节点均包含主机（通常为 MCU）和某种形式的以太网收发器或控制器。如图 5 所示，10BASE-T1S 控制器的功能分配可通过三种方案实现，对应其三大核心功能类别。

媒体访问控制 (MAC)是实现 OSI 模型第 2 层（数据链路层）功能的数字逻辑，负责帧格式、寻址和媒体访问规则，保障以太网通信正常运行。

物理层器件 (PHY) 是实现以太网 OSI 模型第 1 层的组件，负责将 MAC 输出的数字数据转换为物理介质上的电信号或光信号，反之亦然。

物理介质相关 (PMD) 子层直接与物理传输介质对接，在 10BASE-T1S 网络中为单对布线。它位于物理层的最底层，负责完成数字符号到线路实际信号转换所需的各种模拟与电气处理。

在 10BASE-T1S 网络中，工程师通常根据成本与功能的综合权衡，选用最契合需求的 MCU。依据 MCU 中以太网相关功能的可用性，可选择如图 5 所示的三种收发器解决方案之一。若选用已集成 MAC 及 PHY 数字功能（PCS 与 PMA）的 MCU，只需搭配图 5 最右侧方案中的 PMD 收发器，即可构成完整解决方案。由于微控制器普遍采用小特征尺寸工艺制造，将以太网数字器件集成于 MCU 内部，有利于降低成本。此外，该方案需要的引脚数最少，仅需 3 个引脚即可将 PMD 与微控制器连接。

若采用集成了以太网 MAC 功能的现成器件，则可优先选用图中的中间方案。此类器件支持符合 IEEE802.3 标准的媒体独立接口 (MII)，物理层器件可通过相同的 MII 与上层 (MAC) 进行通信。虽然这种解决方案最多需要 18 个引脚，是引脚数量最多的配置，但仍可借助现成器件的成本优势实现整体方案降本。

若所选的 MCU 未集成任何以太网功能，则可采用图 5 最左侧的 MAC-PHY 一体化器件来提供构建完整以太网节点所需的全部功能。为了方便使用，此类 MAC-PHY 采用标准化的 5 引脚 SPI 接口，可兼容市面上许多低成本的 MCU。MCU 只需支持 SPI 接口即可确保运行频率不低于 15 MHz，另外需要一个 GPIO 作为 MAC-PHY 器件的中断信号源。

10BASE-T1S 支持上述所有方案，便于工程师根据设计目标，灵活选择最优的网络连接实现方式。

未完待续，下一篇推文将解锁安森美 10BASE-T1S 芯片的硬核黑科技，深度拆解它的独家技术特性与超强功能优势。