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1. 簡介
有線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用非常廣泛，橫跨諸多市場領(lǐng)域，從家庭、辦公室、企業(yè)到工業(yè)、汽車等不一而足;對其而言，以太網(wǎng)經(jīng)歷迅猛演變發(fā)展，儼然已成為其事實上的不二之選。頗具諷刺意味的是，短短四十年前，根本沒人能想到以太網(wǎng)能取得如今的成就。
1973年，首個以太網(wǎng)系統(tǒng)面世。與大多數(shù)新技術(shù)一樣，當時的它也存在不少問題。其超重型同軸電纜及分流器為，導(dǎo)致安裝極為繁瑣，可靠性差的問題則更不必說。那是 IBM 憑借價格相對低廉的個人計算機而穩(wěn)坐行業(yè)頭把交椅的時代，當時，這些計算機都是基于一種名為“令牌環(huán)”的替代方法實現(xiàn)彼此互聯(lián)的。那時，以太網(wǎng)第一次獲得了一位關(guān)鍵盟友，即 IEEE 802 標準化組。雖然“令牌環(huán)”本身已于 1985 年在 IEEE 802.5工作組內(nèi)實現(xiàn)“標準化”，但IBM仍然保持著自身的許多專有“賣點”，嚴重阻礙了潛在競爭供應(yīng)商實現(xiàn)完全互操作性。 IEEE 802.3以太網(wǎng)標準能夠提供公平的競爭環(huán)境，實現(xiàn)了真正開放的標準化。公平競爭的結(jié)果是，大量小公司通過向市場推出基于以太網(wǎng)的互操作性解決方案而實現(xiàn)了發(fā)展壯大。1995 年，IEEE 802.3u 100BASE-T 標準面世，對通過非屏蔽雙絞線連接的 100Mb/s 以太網(wǎng)(大量供應(yīng)商都能提供)作出了規(guī)范。在那時，“令牌環(huán)”方法已逐漸失去吸引力，不僅僅在于網(wǎng)速不足(最大16Mb/s)，更重要的是由于成本方面的限制。該解決方案仍舊面臨著硬件昂貴和持續(xù)存在的互操作性問題。
因此，“令牌環(huán)”從原本計算機網(wǎng)絡(luò)當仁不讓的繼承人的高位跌下，最終淪為昨日黃花。后來的實踐證明，與之相比，以太網(wǎng)更加經(jīng)濟、快速、穩(wěn)健。四十年之后，標準以太網(wǎng)的優(yōu)勢絲毫未減當年。以太網(wǎng)能在持續(xù)保證最低成本的同時，不斷發(fā)展演進、適應(yīng)各種條件并可靠地滿足眾多市場的網(wǎng)絡(luò)需求，這一能力與 IEEE 802.3 標準的真正開放的標準化有著直接淵源，這一點毋庸置疑。
如今，以太網(wǎng)憑借其提供的實時、高速車載網(wǎng)絡(luò)，正逐步發(fā)展成為先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和汽車信息娛樂應(yīng)用的首選網(wǎng)絡(luò)。由于汽車行業(yè)已將以太網(wǎng)用于汽車診斷 (ISO 13400)，標準 IEEE 802.3 以太網(wǎng)繼續(xù)致力保證網(wǎng)絡(luò)泛在性、最低的總擁有成本 (TCO) 和更低的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。本文將對基于標準以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)專有解決方案進行概述，并對其中一些多方優(yōu)勢進行詳述。
2. 提供泛在網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)如今，100BASE-TX 標準以太網(wǎng)已根據(jù) ISO13400 規(guī)范集成在汽車中，用于車載診斷 (OBD) 和軟件下載。相比基于 CAN 的傳統(tǒng)方法，100BASE-TX 標準以太網(wǎng)以速度制勝，保持著一大主要優(yōu)勢。汽車重編程無需花費數(shù)小時，幾分鐘即可完成，大大降低汽車制造商的總成本。診斷應(yīng)用利用現(xiàn)有的標準 OBDII 汽車連接器和 CAN 線纜，而非傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò) RJ45 和 CAT5，證明了以太網(wǎng)的內(nèi)在靈活性。
圖 1a 突出顯示了現(xiàn)今汽車各個部位所用的多種不同的應(yīng)用特定物理層總線。例如，MOST、CAN 和 LVDS。該策略的缺點在于它需要橋接多條總線，既提高了復(fù)雜性，又增加了成本。
展望未來，標準以太網(wǎng)必將為汽車提供單一的泛在網(wǎng)絡(luò)。
圖 1a. 當前汽車網(wǎng)絡(luò)示例
圖 1b. 以太網(wǎng)汽車網(wǎng)絡(luò)示例
隨著實時流媒體解決方案 AVB 以太網(wǎng)的出現(xiàn)，單一的常見物理層將能夠替代傳統(tǒng)的汽車總線。如圖 1b 所示，唯有標準以太網(wǎng)能夠提供橫跨所有車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的單一泛在物理層。
汽車在這方面可謂受益頗多，不僅可以通過單一物理媒體傳輸多種應(yīng)用，同時還能免除網(wǎng)關(guān)橋接的麻煩，實現(xiàn)了復(fù)雜性和成本的雙降。
3. “發(fā)展中的”汽車以太網(wǎng)
新開發(fā)的車載應(yīng)用傾向于使用以太網(wǎng)，包括先進駕駛輔助攝像機、信息娛樂和移動診斷等，例如，當汽車在行駛過程中而非在維修中心的時候。它們與 OBD 有兩大區(qū)別：
1.實時應(yīng)用
2.需要符合 EMI 規(guī)范(通常使用非屏蔽線纜)，從而降低線纜成本。
可靠性能
選擇屏蔽線纜雖然是一種減少車內(nèi)的輻射發(fā)射量的方案，但通常并不可取。屏蔽線纜會產(chǎn)生接地策略問題，不但會對耐用性造成負面影響，還會增加生產(chǎn)成本。此外，屏蔽線纜不能使用線束制造;而必須經(jīng)過預(yù)制和外購。由于在車聯(lián)網(wǎng)(如攝像機)中繼續(xù)使用 LVDS 技術(shù)，此類問題的確已成為主要缺陷。我們的最終目標是使用非屏蔽線纜支持標準以太網(wǎng)的運行，同時嚴格遵守汽車 OEM EMI 規(guī)范。這將從根本上降低使用屏蔽線纜的布線成本，同時與其他標準以太網(wǎng)設(shè)備保持互操作性。最終結(jié)果是電纜和硅成本達到最低，且有多家供應(yīng)商參與競爭。然而，由于預(yù)期的輻射發(fā)射水平，一種早期觀點認為，不可能使用非屏蔽線纜支持標準以太網(wǎng)的運行。這便引發(fā)了對更多專有的替代性物理層解決方案的調(diào)查，這些都是待考慮用于解決上述問題的方案。其中一種是已有的 BroadR-Reach 技術(shù)，該技術(shù)由博通公司 (Broadcom) 開發(fā)，最初用于擴大 100Mbps 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在家庭內(nèi)的覆蓋范圍。與千兆技術(shù)類似(但并非互操作)，BroadR-Reach 技術(shù)利用額外的信號處理來擴大數(shù)據(jù)的傳輸范圍。處理和額外過濾可以降低輻射發(fā)射量。該技術(shù)最初曾被視為唯一可行的解決方案，一些早期采用汽車以太網(wǎng)的行業(yè)已對BroadR-Reach PHY 技術(shù)進行了評估。但是，自從開展這些早期工作以來，麥瑞和 Marvell 成功證明了標準以太網(wǎng)確實能夠使用非屏蔽雙絞線運行，且符合汽車 OEM 輻射規(guī)范。目前已實現(xiàn)物理層汽車網(wǎng)絡(luò)的“圣杯”。因此，主要的原始設(shè)備制造商 (OEM) 已開始進行進一步工作，調(diào)查并資格化基于標準的以太網(wǎng) PHY 層。
圖 2. 標準以太網(wǎng) PHY ALSE 輻射發(fā)射示例
圖 3. 典型汽車以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器示意圖
為說明其典型性能，圖 2 和圖 3 展示了符合汽車 OEM 規(guī)范的標準以太網(wǎng) PHY 的示范輻射和免疫水平。根據(jù)通用汽車的《電氣/電子元件電磁兼容性規(guī)范》GMW3097 所述進行測試。所用的低成本、手工線束使用 Kroschu FL9Y FlexRay 接線和 Tyco MQS 連接器，符合 GMW3173、國際標準化組織電纜選擇和車輛總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砭€束要求。
4. 為什么是標準以太網(wǎng)?
以太網(wǎng)最初在上世紀 90 年代超越當時的行業(yè)先驅(qū)“令牌環(huán)”而獲得成功，這其中的原因至今未變。至于以太網(wǎng)為什么應(yīng)該在汽車領(lǐng)域而非其他領(lǐng)域獲得成功，其實也沒有實質(zhì)上的區(qū)別。IEEE 802.3 真正開放的標準化相對競爭提供了至關(guān)重要的多方優(yōu)勢，是所有成功的根本原因。
最低擁有成本是最關(guān)鍵的。大量市場和多個供應(yīng)商形成了可以轉(zhuǎn)化為較低成本硅和標準材料單的規(guī)模經(jīng)濟。
整體解決方案是第二大優(yōu)勢;以太網(wǎng)不僅僅是物理層。事實上，它更是一種符合 802.3az 節(jié)能以太網(wǎng) (EEE) 和 802.3af.at 有源以太網(wǎng) (PoE) 等互補 IEEE 規(guī)范的總體解決方案。
除了保證通過多個擴張市場實現(xiàn)強勁的未來路線圖外，基于標準的以太網(wǎng)還不斷發(fā)展 IEEE 規(guī)范，最重要的是促成了供應(yīng)商競爭。
5. 簡化的標準化 BoM
如下方圖 4 所示，以太網(wǎng)線路圖相對簡單明了。主處理器通過標準的 MII(媒體獨立接口) 數(shù)字接口連接到 PHY。從工業(yè)控制到消費者應(yīng)用，PHY 是其他所有以太網(wǎng)應(yīng)用中廣泛使用的標準以太網(wǎng) PHY 設(shè)備，這對汽車行業(yè)非常關(guān)鍵。它確保了大眾市場容量高于并超越任何汽車特定解決方案。這樣，硅成本才能減少到最低。
實踐證明，以太網(wǎng)可靠、穩(wěn)健，僅需最低標準電源濾波器即可運行。為符合標準，通常使用 100ppm 晶體或時鐘源。盡管在現(xiàn)實中，可用硅現(xiàn)在可以在更廣的范圍內(nèi)運行。通過運用成本和精度較低的晶體，汽車應(yīng)用可從中獲益并進一步降低成本。
圖 4. 典型汽車以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器示意圖
PHY 收發(fā)器是其他所有以太網(wǎng)應(yīng)用中廣泛使用的標準以太網(wǎng) PHY 設(shè)備，這對汽車行業(yè)非常關(guān)鍵。
基于標準的汽車以太網(wǎng)解決方案的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于 PHY 收發(fā)器和磁性元件之間的線路接口上很少需要或根本不需要安裝元件。這不僅簡化了電路板布局，更是提高了信號的完整性。也可以使用標準以太網(wǎng)磁性元件。近年來，汽車級以太網(wǎng)磁性元件的增加實現(xiàn)了大幅增長。大部分主要磁性元件供應(yīng)商目前已經(jīng)推出或至少在產(chǎn)品路線圖中納入了相應(yīng)的解決方案。受來自其他以太網(wǎng)市場規(guī)模經(jīng)濟的影響，成本還會繼續(xù)降低。隨著最近表面貼裝、機繞和小尺寸解決方案的引入，汽車用磁體方面的創(chuàng)新可見一斑。這其中有一個全汽車級變壓器，最高高度僅為 2.9mm，非常適合攝像機模組等空間受限的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的手繞繞組，機繞磁性元件還可提供更高的精確性。該等精確性和容差變化的減少為更強、更加統(tǒng)一的性能提供了支持。
標準以太網(wǎng)配置的最終結(jié)果是一個優(yōu)化的成本較低的材料清單。與基于非標準的替代性解決方案相比，最小的外部 PHY 電路減小了 PCB 基面板的面積，大幅改進了緊湊設(shè)計。
6. 節(jié)能
100BASE-TX 以太網(wǎng)已經(jīng)提供了當前市場上功率最低的 PHY 技術(shù) 與基于千兆技術(shù)的解決方案相比，功率和成本的降低幅度高達 30%。引入 IEEE 802.3az 節(jié)能以太網(wǎng) (EEE) 支持后，能源效率還會實現(xiàn)進一步升級。在空閑態(tài)下(例如，不發(fā)送通信量時)，PHY 可以轉(zhuǎn)換為低功率睡眠模式，這會將功耗降低超過 50%，如下方圖 5 所示。
圖 5
除了喚醒信號以檢測耗電的遠程裝置(如攝像機和傳感器)外，標準以太網(wǎng) PHY 還能提供汽車所需的超低待機電流。100BASE-TX 降低的熱耗散可以轉(zhuǎn)化為更高的可靠性和燃料效率，這正是當今汽車行業(yè)所亟需的。
7. PoE 免費!
對更安全車輛的需求使得汽車開始增加最先進的駕駛輔助系統(tǒng)功能?；趥鞲衅鞯姆琅鲎补δ苋找嬖龆嗲覐?fù)雜，將提供車道偏離、路標、交通燈和行人識別等服務(wù)。標準以太網(wǎng)被證明是極具吸引力的 ADAS 應(yīng)用解決方案，可以通過低成本的非屏蔽雙絞線提供高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。它將證明，當為該等應(yīng)用部署免費的標準有源以太網(wǎng) (PoE) 時，汽車市場可以比其他市場獲利更多。
在汽車周圍添加多個攝像機傳感器必然會增加布線內(nèi)容，這是汽車制造商最想避免的麻煩。位置較遠的汽車傳感器當然也需要沿著數(shù)據(jù)接線傳輸電力。于是，每個傳感器均安裝額外的一對接線，遠程為各個設(shè)備供電。IEEE 802.3af(標準)和 IEEE 802.3at(功率增大型)指定了根據(jù)數(shù)據(jù)在同一根線纜上配電的方式。通過利用這些技術(shù)，采用標準以太網(wǎng)的遠程傳感器設(shè)備可以排除額外的電纜。如此一來，不僅節(jié)省線纜，汽車應(yīng)用也會從中受益頗多，即通過優(yōu)化標準 PoE 得到該穩(wěn)健技術(shù)的所有好處，無需任何額外系統(tǒng)成本。
為了解其原因，我們首先研究一下 IEEE802.3af/at PoE 運行的基本原理，如圖 6 所示。
圖 6. IEEE 802.3af/at 有源以太網(wǎng)幻象供電法
PoE 架構(gòu)包含兩大要素：第一個要素是用于供應(yīng)電力的供電端設(shè)備 (PSE)，第二個要素是接受電力的受電端設(shè)備 (PD)。專用的 PSE 控制器必須首先對 PD 進行檢測和分類，然后再分三個階段流程供電;
1.發(fā)現(xiàn) – PSE 檢查是否連接到有效且兼容的設(shè)備
2.分類 – PSE 核對 PD 所需的電力
3.運行 – 如果 1 號和 2 號條件確實有效且 PSE 可以提供充足電力，將啟用 VPSE 電壓 (介于 44V 到 57V 之間)。
PoE 電壓 VPSE 應(yīng)用于標準 100BASE-TX 以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭。這種技術(shù)被稱為“幻象供電”。電流沿著兩條接線下流到 PD 端的以太網(wǎng)變壓器中心抽頭。每個繞組各承載一半電極相反的電流，因此，通過變壓器的總 DC 電流實際上應(yīng)該為零。這種“幻象供電”法具備一個重要優(yōu)勢，即抑制 PD 端變壓器的普通模式噪聲，但這僅適用于 100BASE-TX 以太網(wǎng)接口。隨著普通模式的噪聲散入差動以太網(wǎng)信號并被清除，PSE 發(fā)出的噪聲或沿雙絞線電纜提取的噪聲將實現(xiàn)耦合。
如果 RX 和 TX 接線對偶然交換，PD 端需要使用橋式整流器啟用整流并以極性不敏感的方式發(fā)揮作用。
PSE 的地回路路徑通過其他變壓器的中心抽頭提供。這將轉(zhuǎn)化為第二個重要好處;即 PD 和 PSE 接地的電流隔離。兩端的接地電位不同時，電流隔離的作用非常重要，能夠防止形成輻射接地回路。這種情況很可能對汽車意義重大。這種好處也是 2 對安裝 100BASE-TX 以太網(wǎng)所獨有的。
8. 汽車優(yōu)化
如下方圖 7 所示，了解在汽車應(yīng)用中運用該等 IEEE PoE 方法時提供的優(yōu)化非常有趣。
可以排除傳統(tǒng)的 PSE 控制器是所發(fā)現(xiàn)的主要差異。由于汽車應(yīng)用的 PD 端為已知且固定，因此無需經(jīng)過“發(fā)現(xiàn)”和“分類”階段。機頭單元和后視攝像機模塊之間的接口是汽車應(yīng)用的典型示例。相對昂貴的 PSE 控制器可以用低成本的 DC-DC 穩(wěn)壓器取代。該穩(wěn)壓器可以在電流過載故障情況下提供關(guān)閉保護。通過為汽車選擇更加適合的較低 PoE 電壓 VPSE(例如，12 V，與 IEEE802.3af/at 指定的 48V 相比)，PD 端也可以選擇一個成本較低的低電壓 DC-DC 穩(wěn)壓器。從 12V PoE 運行時，每個端口仍然可以獲得 6W 或更高的額定功率。當需要更多功率時，可以使用更高的 PoE 電壓(或增強的額定電流磁性)。
圖 7. 采用幻象供電法的優(yōu)化汽車 100BASE-TX PoE
由于汽車接線也將固定，因此，PD 端也不需要普通的橋式整流器。盡管經(jīng)過優(yōu)化且降低了最終成本，但由于采用“幻象供電”法，汽車應(yīng)用的標準以太網(wǎng) PoE 仍具備其他優(yōu)勢。特別是 PD/PSE 接地隔離和 PD 端普通模式噪聲抑制，如下方總結(jié)表所示。
表 1. 優(yōu)化的汽車 100BASE-TX PoE 的好處
仔細檢查圖 8 所述的優(yōu)化時，很明顯 IEEE PoE 的所有關(guān)鍵好處均已獲得且無需任何額外成本;沒有額外的接線，使用現(xiàn)有的標準以太網(wǎng)磁性元件和現(xiàn)有的標準電源管理。因此，汽車市場從“PoE 免費!”的概念中獲得了相當獨特的價值定位。
9. 多供應(yīng)商互操作性
關(guān)于任意公開標準，提供真正的互操作性解決方案的競爭供應(yīng)商數(shù)量是衡量成功與否的一個關(guān)鍵指標。和其他許多 IEEE 標準一樣，IEEE 802.3 以太網(wǎng)在這方面無疑是非常成功的。與由“白紙”引出的工作組定義不同，對基于標準的現(xiàn)有供應(yīng)商技術(shù)進行逆向工程往往會產(chǎn)生一個重大缺陷：互操作性差。實際情況常常表明，終端用戶不可能在普通網(wǎng)絡(luò)中混合供應(yīng)商設(shè)備。MOST 技術(shù)中即遇到了上述情況：盡管標準已經(jīng)“公開”，但專用性仍然會造成潛在的互操作性困難，并因此阻礙了備選供應(yīng)商的出現(xiàn)。2008 年 11 月發(fā)表的《Hansen 報告》提到：“供應(yīng)商和汽車制造商希望 SMSC ‘專用’MOST 技術(shù)能夠更多的降低成本，以及提高市場接受度。有些商家正在考慮采用以太網(wǎng)作為替代方案。” 與專有方法相比，沒有可靠互操作性的公開標準未表現(xiàn)出任何重要優(yōu)勢。
過去 30 年，IEEE 802.3 以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)了蓬勃發(fā)展，形成了標準的設(shè)計、測試和一致性規(guī)范，產(chǎn)生了大量測試設(shè)備和軟件解決方案，并可以使用獨立的測試室，其中最突出的是新罕布什爾大學(xué) (UNH) 的互操作性實驗室 (IOL)。IOL 根據(jù) IEEE 802.3 規(guī)范獨立驗證以太網(wǎng)設(shè)備，并進行了大量互操作性驗證測試。汽車行業(yè)可以開發(fā)已經(jīng)確立的以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，從而最大程度地減少融入汽車社區(qū)所需投入的任何額外努力。目前已經(jīng)采取行動，擴展現(xiàn)有的 UNH 以太網(wǎng)測試以獲得低排放傳輸掩碼定義，并擴展使用真正汽車線束的互操作性測試組。
麥瑞及競爭供應(yīng)商 Marvell 已經(jīng)證明，標準以太網(wǎng)可以提供多供應(yīng)商互操作性解決方案，同時符合使用非屏蔽線纜的汽車 EMI 規(guī)范。
圖 8. 采用汽車線束的多供應(yīng)商汽車以太網(wǎng)互操作性
對于圖 8 所示情況，2013 年 7 月在日本東京召開的日經(jīng)汽車研討會證明了無錯互操作性。長期的無錯通信量通過汽車線束傳輸，該線束包含幾段 5 x 3 米長的使用四個內(nèi)聯(lián) MQS 連接器的 的低成本非屏蔽 FlexRay 線纜。線束采用手工制造，每個連接器均配備一段最短 5cm 的非絞線，代表最低成本的線纜規(guī)格。您可前往 http://youtu.be/QhiBu38bW64 觀看互操作性演示視頻。進一步的互操作性測試已經(jīng)驗證了替代的汽車線束，長度從較短的 50mm“插線電纜”到延長的 100m 線纜不等。
10. 總結(jié)
過去的經(jīng)驗反復(fù)證明，任何給定技術(shù)的成功在很大程度上都取決于是否實現(xiàn)了完全標準化。IEEE 802.3 以太網(wǎng)即是在該框架內(nèi)取得成功的一個完美示例：在多個競爭供應(yīng)商的驅(qū)動下，提供具有超前意識和互操作性的整體解決方案。結(jié)果就是，終端用戶可以利用擁有成本最低的解決方案。
真正公開的標準是競爭解決方案實際互操作性的基礎(chǔ)，鼓勵了多供應(yīng)商設(shè)備的持續(xù)發(fā)展。競爭加劇導(dǎo)致成本降低和發(fā)展速度加快，推進形成自持生態(tài)系統(tǒng)。IEEE 802.3 以太網(wǎng)提供成熟、確定的生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過多年精煉，毫無趨緩跡象。除了提供適應(yīng)新市場(如汽車市場)的靈活性以外，以太網(wǎng)已經(jīng)證明能夠隨著技術(shù)發(fā)展而不斷擴大和發(fā)展，滿足現(xiàn)有市場的新需求，提供多方優(yōu)勢。以太網(wǎng)和汽車工業(yè)的合作結(jié)盟，二者注定要共同發(fā)展，獲得長期成功。
以太網(wǎng)何時才會在車載網(wǎng)絡(luò)中普及?盡管業(yè)內(nèi)積極采納新技術(shù)，但引入任何技術(shù)都仍須受為期兩年或更長時間的典型汽車設(shè)計周期的限制。如果沒有事先調(diào)查、了解并完全相信真正的好處，主要 OEM 們不可能冒險采用新技術(shù)。2017 年及以后有望實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)的引入。然而，我們非常確信的一個要素是，IEEE 802.3 基于標準的以太網(wǎng)必將為所有汽車應(yīng)用——無論是診斷系統(tǒng)還是先進的駕駛輔助或信息娛樂系統(tǒng)提供更低價、更快速、更穩(wěn)健的解決方案。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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