A2B汽车应用中的B和以太网：什么、何时以及如何

近年来，汽车电子系统的数量有所增加，随着信息娱乐和高级驾驶辅助系统（摄像头、雷达、激光雷达等）新技术的采用，以及用于许多不同目的（稳定性、速度、加速度等）的多个传感器的采用，汽车电子系统的数量达到了更高的复杂性。

我们可以区分高带宽和低带宽技术。通常，传感器需要低带宽。汽车中最常用的加速度计的输出数据速率（ODR）为几kHz。在信息娱乐方面，音频和视频数据需要几Mbps范围内的数据速率。

然而，真正提高标准的是采用高清多摄像头系统进行停车辅助、360°视觉系统（也称为鸟瞰或环视监控系统）、雷达（射频微波）和激光雷达（光学）以增强高级驾驶辅助系统 （ADAS）。所有这些系统的共存是自动驾驶汽车发展的关键因素，但它对任何通信总线来说都是一个巨大的挑战。

汽车中使用的传统客车有：

本地互连网络（LIN）：速度高达20 kbps，主要用于低成本至关重要且速度/带宽比不重要的子系统。

受控区域网络（CAN）：传输速率高达1 Mbps，主要用于启动/停止系统、驻车辅助系统和电动驻车制动器中的电子控制单元（ECU）与传感器之间的通信。

FlexRay：比CAN更快（高达10 Mbps），它更贵。它最初用于线控（线控驱动、线控转向）系统，旨在适应多种网络拓扑。

面向媒体的系统传输 （MOST）：最高速度为 150 Mbps，旨在传输音频、视频、语音和数据信号。它定义了ISO/OSI模型的所有七层，从物理层到应用层。这是一个专有的解决方案。

随着网络技术的这种发展，另一个方面变得很重要。用于不同子系统的许多不同的总线包括非常复杂（且昂贵）的布线。尺寸和重量是汽车应用中的新挑战，因为满足新的环境法规意味着开发新的系统，例如可以减少一氧化碳2排放。在这样的环境中，对于高带宽、低延迟、确定性、稳健且廉价的通信总线的需求，没有简单的答案。

汽车音频总线 （A2B)

对总布线重量的主要贡献之一来自汽车音响系统，因为模拟布线需要为每个音频源/接收器（扬声器）使用昂贵的屏蔽电缆。此外，主动降噪 （ANC） 和道路降噪 （RNC） 系统需要在车内安装多个麦克风，从而为音频网络添加许多其他输入。

传统音频系统在车内的实际布线如图1所示。

图1.用于音频系统的传统车载布线。

汽车音频总线 （A2B）是ADI公司的一项创新技术，允许实现串联拓扑，单个主站连接到多达10个菊花链式从机。速度为 50 Mbps，A®2B 针对音频应用进行了优化。通过使用非屏蔽双绞线 （UTP） 电缆，连接大大简化，将线束的总重量减轻多达 75%。节点之间的距离可以长达 15 m，而最大网络长度为 40 m。同一 UTP 提供高达 300 mA 的电源（幻象供电配置），非常适合数字麦克风。

如果主节点提供的功率预算不足，始终可以为从节点提供本地电源。该总线允许双向、主从和从从通信，提供多达 32 个下行和上行通道（12、16 和 24 位）。最重要的是，保证了 2 个周期的延迟，为 ANC/RNC 等延迟敏感型应用提供了确定性支持。该巴士能够运送I2C按摩，允许在从节点上跨距离配置ADC/DAC。

什么真正简化了 A 的配置2B网络是SigmaStudio，一个支持SigmaDSP和SHARC DSP系列的图形设计环境。一个®®®2B收发器（AD2428、AD2427和AD2426）提供I 2砂型 PDM 接口。通常，I2S接口用于连接ADC和DAC，而数字麦克风使用PDM。

汽车应用中的主要问题之一与电磁兼容性（EMC）有关。一个2B 仅使用 2 线 UTP 电缆就通过了最严格的汽车 EMC 和电磁干扰 （EMI） 兼容性测试。RNC 应用需要将加速度计和麦克风分布在车辆周围和内部。使用模拟部件的成本过高，因为它需要额外的电路（模数转换器）、布线和连接器。该 A2B 技术通过一种新颖的音频源和传感器方法简化了这种架构。

图2.音频系统的车载布线简化为 A2B技术。

汽车以太网

以太网是一种非常流行的网络技术，拥有庞大的生态系统。然而，到目前为止，它在汽车领域的应用仅限于少数应用，如诊断、车载信息娱乐系统和传感器连接。它在车载应用中的竞争对手可能是MOST，它可以在速度方面竞争。

尽管以太网有可能成为最新技术（例如雷达和激光雷达）对带宽的巨大需求的最终答案，但仍有几个方面限制了其在汽车中的采用。

用于 100-Base-TX 的传统以太网电缆基于两对差分线并由变压器隔离，对于汽车应用来说过于昂贵。此外，Cat-5 电缆不符合汽车 EMI 标准，使得 100-Base-TX 以太网无法用于诊断和固件更新以外的车载通信。

对于车对车 （V2V） 或车对一切 （V2X） 通信，必须在同步、流量整形和固定延迟方面支持车内数据传输。以太网没有这种支持，除非实施新的协议栈。

让我们先考虑物理层。

为了满足重量、EMI 和成本方面的要求，电气和电子工程师协会 （IEEE） 定义了一个名为 802.3bw 的新标准，也称为 100-Base-T1。IEEE 802.3bw 是基于双向 UTP 电缆的 100 Mbps 标准，可满足严格的汽车排放要求。通过使用叠加、特定编码和加扰方案的基本原理来降低 EMI。

当使用非屏蔽 2 芯电缆代替传统的 Cat-5 电缆时，重量和成本更低。以太网供电 （PoE） 等技术共享相同的电线，与数据一起提供电力。但是，PoE 至少需要两对电线来供电，这与减少电线数量的需求形成鲜明对比。

这就是IEEE定义标准802.3bu的原因，也称为数据线供电（PoDL）。PoDL可以通过一对电线供电，这增加了收发器原理图的复杂性。

图3.基本PoDL架构：数据和电源共享相同的差分通道。

如前所述，为了支持汽车应用，以太网需要额外的软件来提供确定性。这可以通过在IEEE 802.1中开发的音频视频桥接（AVB）协议来实现，IEEE 802.1是负责ISO/OSI模型中第二层的组织。

AVB 是一种提供时间同步和流量整形的软件技术。有了这些基本概念，以太网可以可靠地传输音频和视频内容。AVB导致了一组称为时间敏感网络（TSN）的协议的定义，专注于工业和汽车市场，为以太网提供实时支持。

总而言之，IEEE 802.3bw加TSN可以成为汽车内确定性通信的合适解决方案，取代传统总线。此外，100-Base-T1正在发展为新的1000-Base-T1标准，可以达到1 Gbps。然而，这种系统很复杂，这些技术还不够成熟，无法在汽车市场中广泛部署。

可能的情况

虽然汽车市场开始采用2B 对于汽车中的音频传输，以太网在传输来自不同总线系统的数据时还远未大规模实施。

图4.多域体系结构。

主动降噪、免提系统、电动汽车 （EV） 噪声生成和紧急呼叫 （eCall） 系统等应用受益于2B技术。此外，在未来，可以将来自数字传感器的信息直接带到A2B、简化RNC系统的架构。

然而，A2B具有与总线速度相关的带宽限制。一旦 1000-Base-T1 成熟，以太网可以达到 1 Gbps 的速度;有了这个带宽，它可以轻松地带来不同类型的数据，从传感器到音频/视频流。

自动驾驶正在推动进一步的性能，朝着多千兆网络连接的方向发展。那么，未来几年我们应该期待什么样的情况呢？

A2B是一种易于实现的技术，通过同一 UTP 提供电源和数据，并具有对固定延迟的确定性支持。

以太网与现有的100-Base-T1（以及未来的1000-Base-T1）将是一种融合技术，允许聚合多个数据总线，但增加功率（PoDL）和软件确定性（TSN）的复杂性增加。

可能，基于 A 的混合解决方案2B用于音频传输和传感器，以及用于摄像头、激光雷达和雷达的高速Gb以太网的主干网，可以满足汽车行业未来的大部分中期需求。

审核编辑：郭婷