10BASE-T1S车载以太网简介及网络架构

2020年2月IEEE-802.3cg标准正式公布，这就是10BASE-T1S，其目标就是针对10Mbps以下的车内网络，挑战CAN FD和CAN XL的地位，甚至是传统CAN的地位。

10BASE-T1S简介

图片来源：ADI

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10BASE-T1S主要针对传感器和致动器Actuator，传感器领域主要是超声波传感器、毫米波雷达，还有MEMS麦克风，包括免提、E-CALL和前后排语音识别输入。动力传递领域包括位置、速度、压力、温度、加速度、霍尔传感器。Actuator部分包括灯光照明，前大灯、后尾灯、刹车灯、转向灯、车内照明、后视镜LED显示。还有各种扬声器包括门内扬声器、超重低音、电动车低速提示音。还有各种电机，包括车窗、后视镜、雨刷、水泵。

大大简化区域架构，如门区架构，座椅区，车顶篷区，电池区，多种应用都通过一对线缆部署。

目前先进车辆架构都是基于域控制器的，80%的网络节点都是10Mbit/s以下速率，而传统车载以太网是100Mbit/s以上的。超过100Mbit/s的车载以太网需要使用点对点交换连接，无法满足支持终端连接应用向以太网过渡的系统成本要求。10BASE-T1S就是弥补这个缺点，支持以太网进入边缘节点。

Zonal时代，可以全部统一在车载以太网格式下，能够减少网关使用，减少通讯协议之间的转换，软件简化，线束简化，成本降低，且容易升级。

典型10BASE-T1S网络架构

图片来源：ADI

三种典型的10BASE-T1S 物理层配置

图片来源：ADI

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车载以太网益处包括单对双绞线，可以降低线束成本与重量，降低连接器成本与重量，可以通过以太网线缆供电，无需如CAN网络那样另外单独供电，可以整车时钟一致，保证高可靠性和安全性，无需外接ESD保护。如今使用的电缆线束是汽车中最重的三个子系统之一（重达60千克）。传统的以太网电缆使用四个差分对进行数据传输，这会增大汽车的重量和布线复杂性，对汽车应用而言并非最佳选择。

Zonal架构下的10BASE-T1S，有众多优点，包括全硬件边缘节点，无需软件介入，某些情况下可以不用MCU，可以使用车载以太网的TSN协议，具备可确定性、低延迟和高可靠性，基于时间戳的应用特别合适。

ADI的10BASE-T1S收发器

图片来源：ADI

10BASE-T1S 使用差分曼彻斯特编码 (DME)。DME 对数据进行编码，利用一个时钟周期内是否有转换来表示信号的逻辑状态。如果在一个时钟周期内没有转换，数据状态就是逻辑 0。如果在时钟周期的中间有一个转换（无论是正还是负），那么数据状态就是逻辑 1。逻辑 1 数据仅在时钟间隔期间可能变成高电平或低电平；相对于之前的状态，所以不需要复位转换。每个时钟间隔均会出现一个数据位，这样在嘈杂的汽车环境中就更容易进行时钟恢复。

10BASE-T1S与其他汽车以太网技术不同，因为它支持多点拓扑，其中所有节点都使用相同的非屏蔽双绞线电缆连接。这种总线配置提供一个优化的BOM，只需在每个节点上部署一个以太网PHY，无需采用与其他以太网技术关联的切换或星型拓扑。该标准规定必须支持至少8个节点（可以支持更多节点），总线长度必须达到25米。

10BASE-T1S的新功能是PLCA（物理层防冲突），可防止共享网络介质上的冲突。该功能可确保确定性的延迟，这具体取决于网络节点的数量和传输的数据量。每个节点都可以进行数据发送。如果没有要发送的数据，它会将传送机会传递给下一个节点，从而更有效地利用可用带宽。这种配置确保确定性最大延时主要由网络的节点数量和要传输的数据数量决定。每个节点都会获得传输机会。如果彼时一个节点没有数据要传输，它会将传输机会移交给下一个节点，以充分利用可用的10 Mbps带宽。

PLCA机制

图片来源：Microchip

在多播环境中，有多个设备连接到总线上。10BASE-T1S 使用物理层 (PHY) 冲突避免 (PLCA) 机制减少空载时间，并在多个设备试图同时通话时避免数据冲突。PLCA 建立了一个传输周期，用于协调总线上的传输机会。通过 PCLA，每个节点的 PHY 被分配一个唯一的 PHY ID。只有持有该传输机会的 PHY 才被允许进行传输。

传输机会以循环算法分配，从分配给主节点的 PHY ID=0 开始。当主节点发送一个称为 BEACON 的同步模式以指示 PLCA 周期开始时，一个新的周期就开始了。节点只有在传输机会与自己的节点 ID 相匹配时才能开始传输。

图以信标同步模式 (B) 开始的 PLCA 周期示例。最左边的周期是最小的总线周期时间。下一个周期有一些可允许的传输变型。（图片来源：Art Pini）

任何节点都可以通过留下未使用的时隙来跳过一个传输机会，如图中 "N" 所示。在分配的时隙中，节点可以传输其数据。节点可以扩大其时隙，如图中时隙 2（蓝色）所示。发送节点可以在其时隙中插入一个“提交”，以延长时隙，补偿媒体访问控制 (MAC) 延迟，如图中时隙 3（黄色）所示。节点可以用高优先级给某个消息赋予“猝发模式”，如图中 0 PHY ID（绿色）所示。

PLCA 的结构很好，可以防止数据包冲突，最大限度提高数据速率。

10BASE-T1S网络是交流耦合的，这意味着其也支持供电。这样就可以进一步简化布线并减小连接器尺寸，提高整体网络可靠性。PoDL（数据线供电）功能已经可用于点对点应用，IEEE目前正努力将此功能扩展至多点拓扑并实现标准化。

微芯科技（Microchip）已经提供了三款 10BASE-T1S 收发器：LAN8670B1-E/LMX、LAB8671B1-U38以及 LAN8672B1-E/LNX。这些收发器包括了所有的 10BASE-T1S 功能，只在物理封装和电子控制单元 (ECU) 接口方面有所不同。LAN8670 采用 32-VQFN 封装，支持独立媒体接口 (MII) 和缩小的独立媒体接口 (RMII) ECU 接口；LAN8671 采用 24VQFN 封装，支持 RMII 接口；LAN8672 则采用 36VQFN 封装，支持 MII 接口。所有三个收发器都在 -40°C 至 +125°C 的汽车扩展温度范围内工作，并采用 3.3 伏电源。

ADI紧随其后，预计在2024年量产10BASE-T1S 收发器。安森美目前也有量产10Base-T1S收发器，型号为NCN26010，不过主要针对非车载的工业领域。

Marvell在2022年初推出了第三代车载以太网交换机，内部集成了10BASE-T1S物理层，理论上Marvell也可以轻松完成独立型10Base-T1S物理层芯片。博通的BCM8957X和BCM8958X系列车载以太网交换机也支持外接10BASE-T1S物理层芯片。

德州仪器目前有工业用10BASE-T1L型产品，主要针对楼宇自动化，预计2024年量产针对汽车的10BASE-T1S产品。

2023年2月，OPENALLIANCE推出TC14标准，全面支持10BASE-T1S，OPENALLIANCE高级会员包括宝马、通用、NXP、瑞萨、沃尔沃、大众、博世、丰田、雷诺、大陆汽车，瑞昱、现代汽车、博通、Marvell。

笔者看好10Base-T1S，CAN XL的动作太慢了。

审核编辑：汤梓红