【 ATU 随笔记】整车网路系统架构之探讨 ( 三 )

原创于 2024-12-13 01:00:00 发布 · 791 阅读

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一、前言

在前两篇文章中，我们介绍了 CAN 和 LIN，这两种通讯协议在车辆内部网路架构中分别负责高速关键模组和低速辅助模组的通讯需求。然而，随著车辆内部感测器、摄影镜头以及数据融合应用的快速增加，车辆需要处理的数据量呈现指数级增长，对通讯传输量的需求也随之大幅提升。在这样的背景下，车用乙太网（Automotive Ethernet）成为一种理想的解决方案，以其高带宽和灵活的拓展能力满足车内网路对大数据传输的需求。

二、车载乙太网的发展历程

车用乙太网（Automotive Ethernet）的诞生与发展与车辆对数据传输需求的提升密不可分。随著自动驾驶、车联网（V2X）和多媒体娱乐系统的引入，车辆内部传输数据量急剧增长，传统通讯协议如 CAN、LIN 和 FlexRay 无法满足这些高带宽应用的需求。为此，车用乙太网逐渐成为解决这些挑战的关键技术。然而车用乙太网的发展历程可追溯至乙太网的起源。

乙太网的起源：

乙太网技术的起源可以追溯到 1971 年，当时夏威夷大学的 AlohaNet 成为全球首个无线分组资料网路。随后，Xerox PARC 研究中心的 Robert Metcalfe 和 David Boggs 在 1970 年代初期设计了最初的乙太网，传输速率为 3Mb/s。1980 年，DEC、Intel 和 Xerox 联合推出了首个商用乙太网 DIX，其传输速率达到 10Mb/s，并成为日后 IEEE 802.3 标准的基础。这为乙太网从 IT 和工业应用扩展至其他领域奠定了技术基础。

乙太网进入汽车领域：

传统的汽车内部网路主要依赖于 CAN 汇流排（Controller Area Network）等技术，适用于低资料传输量的应用，如座椅调整、后视镜调整等辅助功能。然而，随著高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶技术的快速发展，车辆内部对高频宽数据传输的需求迅速提升，这超出了 CAN 等传统技术的能力范围。因此，乙太网技术开始进入汽车领域，以满足日益增长的高频宽需求。

2011 年，BMW 成为第一家将乙太网技术应用于车辆诊断系统（On-Board Diagnostics, OBD）的车企，使用的技术支持 100 Mbps 的资料传输速率。相比 CAN 和 LIN 网路，乙太网以其高带宽和灵活的架构，成为处理大数据应用的理想选择。

车用乙太网的标准化过程：

2011 年，OPEN Alliance（One-Pair Ether-Net Alliance）联盟成立，标志著车用乙太网标准化的开始。该联盟致力于推广基于单对非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair, UTP）的乙太网技术，以降低布线成本并简化车内结构。同年，IEEE 公布了针对车用乙太网的 IEEE 802.3bw（100BASE-T1）标准，这一标准支持 100 Mbps 的传输速率，并针对车内环境进行了抗干扰优化和线束减重设计。

随后，为应对更高频宽需求，2017 年，IEEE 推出了 IEEE 802.3bp（1000BASE-T1）标准，传输速率达到 1 Gbps，能够支援自动驾驶所需的多感测器数据融合和高分辨率摄像头应用。此外，为了确保即时性与数据准确性，时间敏感网路（Time-Sensitive Networking, TSN）技术被引入车用乙太网，大幅提升了网路的同步性和可靠性。

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三、车载乙太网的特点与应用场景

3.1 车载乙太网的特点

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车用乙太网（Automotive Ethernet）相较于 CAN 和 LIN，展现出更高的性能和广泛的应用适配性，是现代汽车网路架构的关键技术。CAN 的速率最高为 1 Mbps，主要应用于引擎控制、安全气囊等关键系统，LIN 的速率仅为 20 kbps，适合座椅调整、车窗升降等低速辅助功能，而车用乙太网支持高达 1 Gbps 的传输速率（未来可达 10 Gbps），能轻松处理自动驾驶、ADAS 和车联网等应用所需的大量数据。车用乙太网还凭借时间敏感网路（TSN）技术，提供低延迟、高同步性，满足即时数据传输需求。此外，其灵活的点对点、星形和树状拓扑结构，以及基于单对非屏蔽双绞线（UTP）的设计，不仅降低了布线重量和成本，还提升了车内网路的设计灵活性。相比 CAN 和 LIN 的专用性，车用乙太网具备全球标准化（如 IEEE 802.3 系列标准），可广泛适配多种车辆网路架构，特别是在 ADAS、自动驾驶和资讯娱乐系统中的高频数据应用场景中展现出卓越的性能和可靠性。这使车用乙太网成为未来汽车智能化和网路化的重要支柱。

3.2 车载乙太网的应用场景

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上图标示了车载乙太网的四个关键应用区域：

ADAS：位于车辆前方，用于先进驾驶辅助系统。
Infotainment：位于车辆中间，表示资讯娱乐系统。
V2X Communication：位于车顶，代表车联网通讯。
Diagnostics & OTA：位于车辆后方，用于诊断与远程软体更新。

车载乙太网（Automotive Ethernet）是一项高效的车内网路技术，广泛应用于多个关键场景。在自动驾驶和先进驾驶辅助系统（ADAS）中，它能快速处理雷达、摄像头和 LiDAR 的大量数据，确保系统能即时进行准确判断。在车联网（V2X）应用中，车载乙太网支持车辆与其他车辆（V2V）、基础设施（V2I）及云端（V2C）的即时通讯，实现智慧交通的协同运作。车内资讯娱乐系统则利用乙太网的高频宽特性提供高画质影片、多萤幕同步及虚拟现实（VR）等功能，提升乘客体验。同时，作为车辆内部的主干网路，车载乙太网连接动力系统、车身控制和资讯娱乐模组，实现高效的系统整合和简化布线。此外，车载乙太网支持远程软体更新（OTA），使车辆系统能快速升级，并提供高效的车辆诊断和测试能力，方便监控和维护。

3.3 结论与未来发展

车载乙太网已成为现代汽车网路的关键技术，凭借其高带宽、低延迟和灵活的应用，广泛用于自动驾驶、车联网和资讯娱乐等核心领域。未来，随著车辆智能化需求的进一步提升，车载乙太网的传输速率将向 10 Gbps 或更高迈进，为自动驾驶与车联网技术提供更坚实的支持。同时，在网路安全性、时间敏感型网路（TSN）应用和高效系统整合方面，车载乙太网也将进一步优化，成为推动智慧汽车发展的重要基础。

四、恩智浦提供的解决方案

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( 图片来源：Circuit Cellar Staff / NXP )

NXP 在车载乙太网领域提供了全方位的解决方案，包括 Ethernet Switch 和 Ethernet PHY 产品，以满足现代汽车对高效数据传输的需求。Ethernet Switch 是车内乙太网网路的核心，负责多模组之间的数据转发与流量管理，NXP 的产品支持高带宽、低延迟以及时间敏感网路（TSN），能够实现自动驾驶和多媒体应用所需的精确数据同步与高效处理。而 Ethernet PHY 则是乙太网硬体层的关键组件，负责数据的编码与解码，NXP 的 Ethernet PHY 产品支持单对非屏蔽双绞线（UTP），具备高抗干扰能力和低功耗特性，适合车内环境的严苛要求。这些产品以其高性能和高可靠性，广泛应用于自动驾驶、资讯娱乐系统、车联网（V2X）及车内主干网路等场景，为汽车制造商提供稳定、灵活且可扩展的网路架构支援。