车载以太网10BASE-T1S通信解决方案

 

10BASE-T1S规范是IEEE 802.3cg标准的一部分，于2020年初发布。该技术的出现弥补了车载以太网10Mbit/s通信领域的空白，允许将以太网连接扩展到最远边缘的节点，实现在整个车辆系统中部署以太网。相较于CAN FD和FlexRay总线通信技术，采用10BASE-T1S技术的边缘节点既提高了通信带宽，又不再需要依赖网关实现通信协议的转换。10BASE-T1S支持多点拓扑通信，采用独特的物理层冲突避免技术，大大提高了系统的扩展性，为车载网络带来了更灵活、更高性能、更经济高效的连接方案。

本文简要介绍10BASE-T1S的通信原理，以及10BASE-T1S通信解决方案，帮助用户更好地理解和应用这一新兴的车载以太网技术。

 

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10BASE-T1S 通信特点

10BASE-T1S技术在单对双绞线上提供10Mbit/s的通信带宽，与当前广泛应用的车载以太网技术（100/1000BASE-T1）不同之处在于支持多点拓扑（Multidrop）的总线结构。

在总线结构的通信中，为了协调多个节点的数据传输，“冲突避免”是不可或缺的。10BASE-T1S采用物理层冲突避免（Physical Layer Collision Avoidance，PLCA）技术。该技术通过配置传输周期，并在周期内为每个节点分配传输数据的机会（Transmit Opportunity，TO）来避免节点之间的冲突，从而充分利用带宽，减少通信延迟，提供高质量的服务（QoS）。

在PLCA中，每个节点都具有唯一的Node ID，其中Node ID = 0的节点被称为协调器（Coordinator）。协调器通过发送信标（BEACON）来启动一个传输周期。在每个传输周期内，节点从Node ID = 0开始按照Node ID递增顺序依次获得传输机会。每个节点只能在其Node ID匹配的传输机会期间发送一帧报文到总线上。如果在规定的时间（TO_TIMER）内没有发送任何内容，传输机会将会顺延到下一个节点，当所有节点完成传输后，协调器再次发送一个信标指令，启动新的周期。

图1:10BASE-T1S 总线通信

 

 

 

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10BASE-T1S 通信硬件介绍

VN5240/VN5650可以通过选配VNmodule60 1AE10M LAN8670模块实现10BASE-T1S通信，VNmodule60 1AE10M LAN8670模块提供一个10BASE-T1S端口和两个100/1000BASE-T1端口。10BASE-T1S端口允许用户设置所有相关的10BASE-T1S参数。每个VN设备最多可配置3个VNmodule60 1AE10M LAN8670模块，即可配置3个支持10BASE-T1S通信的物理端口。

图2:VNmodule60 1AE10M LAN8670

 

需要注意的是，模块实现10BASE-T1S通信的部分没有内置终端电阻。实际连接时，需要在多点拓扑总线的最远两端配置终端电阻。可以通过在端口连接线束的P和N引脚之间连接一个100欧姆的终端电阻，如使用AEcable ix/DSUB9 10BASE-TIS线束时可在其末端DSUB9接插口处直接连接Vector定制的10BASEterm电阻（或者直接连接已经配置终端电阻的ECU）。

图3:终端电阻配置

 

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10BASE-T1S 通信硬件配置

在Vector Hardware Manager（VHM）中，通过配置关联的10BASE-T1S物理端口参数，可以轻松仿真参与10BASE-T1S通信的节点。需要配置的参数包括：

① Node Count：总线上通信节点的总数，数值应设置为网络中节点的最大Node ID+1。

② Node Id：通过该物理端口参与通信的仿真节点所使用的Node ID。

③ Transmit Opportunity：节点传输机会的长度（TO_TIMER），单位0.1微秒。同一网络中所有节点的TO参数需保持一致。

图4:10BASE-T1S 物理端口属性配置

 

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10BASE-T1S通信多节点仿真

如需仿真多个10BASE-T1S通信节点，可为每个仿真节点配置一个独立的物理端口，并通过线束连接到同一总线拓扑网络中。每个节点可配置独立的Node ID，在通信周期内基于PLCA机制获得对应的传输机会。

图5:独立物理端口通信

 

 

 

然而，这种方法在需要仿真大量的10BASE-T1S通信节点时，会因需要配置对应数目的物理端口而显得不够灵活且难以扩展。10BASE-T1S能否像CAN总线一样，只需使用一个物理端口就可实现多个节点的仿真呢？

要使用一个10BASE-T1S端口仿真同一总线上的多个10BASE-T1S通信节点，需要解决10BASE-T1S通信中PLCA机制对每个节点在一个通信周期内只能发送一帧以太网报文的限制。如果仅在上位机中仿真多个节点，而只通过一个物理端口连接到总线网络，它们会被视为对应一个Node ID的一个节点，从而导致发送行为受到影响（如图6所示）。

图6:共用物理端口导致通信时序错误

 

 

 

为了更好地应对这一挑战，带有VNmodule60 1AE10M LAN8670模块的VN5650支持新的配置选项，即“Multidrop Segment”。“Multidrop Segment”可配置一个10BASE-T1S物理端口，该端口的Node ID供所有仿真节点共享。

图7:Multidrop Segment

 

 

 

这个选项修改了10BASE-T1S物理端口的行为，使用PLCA的突发（Burst）模式，允许每个连接到“Multidrop Segment”上的仿真节点在同一个周期的同一个传输机会中分别发送一个以太网报文，多个节点发送的以太网报文会连续出现在总线上，之后传输机会再顺延至下一Node ID的节点。这意味着在一个传输机会期间，该端口对应的所有仿真节点的数据都可以发送出去，从而更好地仿真多个节点共享同一总线的情况。

图8:Multidrop模式通信

 

 

 

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以太网模块扩展

为满足以太网不同物理层和功能需求，Vector提供新的以太网模块（VNmodule60）支持多种扩展供用户选配。每个以太网模块可提供4个物理连接端口，而VN5650/VN5240具备3个模块插槽，因此最多可同时使用12个端口。用户能够根据其网络需求更换和扩展这些插件模块，使VN5650/VN5240可以支持不同的物理层技术。

Vector最新发布支持MultiGBASE-T1通信的VNmodule60 2AE10G BCM89890模块，用户可以根据需要自由配置2.5GBASE-T1、5GBASE-T1和10GBASE-T1的链路参数（速率、主从等）。这一模块采用了Yamaichi推免式两针连接器（Yamaichi Y-Circ）。同时，Vector还提供相应的线束（AEcable MultiGig系列），以确保用户能够轻松实现物理连接。

图9:VNmodule60 2AE10G BCM89890 模块

 

 

 

目前VN5650/VN5240支持如下VNmodule60模块：

图10:VNmodule60系列模块及功能

 

 

 

 

 

 

此外，还有不同的插件模块正在开发中，以支持更多的物理层和功能（如MACsec），使VN5650/VN5240能够不断适应未来的以太网技术和功能更新。