求一種車載以太網(wǎng)10BASE-T1S通信的解決方案

10BASE-T1S規(guī)范是IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的一部分，于2020年初發(fā)布。該技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了車載以太網(wǎng)10Mbit/s通信領(lǐng)域的空白，允許將以太網(wǎng)連接擴(kuò)展到最遠(yuǎn)邊緣的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)車輛系統(tǒng)中部署以太網(wǎng)。相較于CAN FD和FlexRay總線通信技術(shù)，采用10BASE-T1S技術(shù)的邊緣節(jié)點(diǎn)既提高了通信帶寬，又不再需要依賴網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。10BASE-T1S支持多點(diǎn)拓?fù)渫ㄐ?，采用?dú)特的物理層沖突避免技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，為車載網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了更靈活、更高性能、更經(jīng)濟(jì)高效的連接方案。

本文簡(jiǎn)要介紹10BASE-T1S的通信原理，以及10BASE-T1S通信解決方案，幫助用戶更好地理解和應(yīng)用這一新興的車載以太網(wǎng)技術(shù)。

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10BASE-T1S 通信特點(diǎn)

10BASE-T1S技術(shù)在單對(duì)雙絞線上提供10Mbit/s的通信帶寬，與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的車載以太網(wǎng)技術(shù)（100/1000BASE-T1）不同之處在于支持多點(diǎn)拓?fù)洌∕ultidrop）的總線結(jié)構(gòu)。

在總線結(jié)構(gòu)的通信中，為了協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，“沖突避免”是不可或缺的。10BASE-T1S采用物理層沖突避免（Physical Layer Collision Avoidance，PLCA）技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)配置傳輸周期，并在周期內(nèi)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)（Transmit Opportunity，TO）來(lái)避免節(jié)點(diǎn)之間的沖突，從而充分利用帶寬，減少通信延遲，提供高質(zhì)量的服務(wù)（QoS）。

在PLCA中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有唯一的Node ID，其中Node ID = 0的節(jié)點(diǎn)被稱為協(xié)調(diào)器（Coordinator）。協(xié)調(diào)器通過(guò)發(fā)送信標(biāo)（BEACON）來(lái)啟動(dòng)一個(gè)傳輸周期。在每個(gè)傳輸周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)從Node ID = 0開(kāi)始按照Node ID遞增順序依次獲得傳輸機(jī)會(huì)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在其Node ID匹配的傳輸機(jī)會(huì)期間發(fā)送一幀報(bào)文到總線上。如果在規(guī)定的時(shí)間（TO_TIMER）內(nèi)沒(méi)有發(fā)送任何內(nèi)容，傳輸機(jī)會(huì)將會(huì)順延到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)完成傳輸后，協(xié)調(diào)器再次發(fā)送一個(gè)信標(biāo)指令，啟動(dòng)新的周期。

圖1:10BASE-T1S 總線通信

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10BASE-T1S 通信硬件介紹

VN5240/VN5650可以通過(guò)選配VNmodule60 1AE10M LAN8670模塊實(shí)現(xiàn)10BASE-T1S通信，VNmodule60 1AE10M LAN8670模塊提供一個(gè)10BASE-T1S端口和兩個(gè)100/1000BASE-T1端口。10BASE-T1S端口允許用戶設(shè)置所有相關(guān)的10BASE-T1S參數(shù)。每個(gè)VN設(shè)備最多可配置3個(gè)VNmodule60 1AE10M LAN8670模塊，即可配置3個(gè)支持10BASE-T1S通信的物理端口。

圖2:VNmodule60 1AE10M LAN8670

需要注意的是，模塊實(shí)現(xiàn)10BASE-T1S通信的部分沒(méi)有內(nèi)置終端電阻。實(shí)際連接時(shí)，需要在多點(diǎn)拓?fù)淇偩€的最遠(yuǎn)兩端配置終端電阻?？梢酝ㄟ^(guò)在端口連接線束的P和N引腳之間連接一個(gè)100歐姆的終端電阻，如使用AEcable ix/DSUB9 10BASE-TIS線束時(shí)可在其末端DSUB9接插口處直接連接Vector定制的10BASEterm電阻（或者直接連接已經(jīng)配置終端電阻的ECU）。

圖3:終端電阻配置

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10BASE-T1S 通信硬件配置

在Vector Hardware Manager（VHM）中，通過(guò)配置關(guān)聯(lián)的10BASE-T1S物理端口參數(shù)，可以輕松仿真參與10BASE-T1S通信的節(jié)點(diǎn)。需要配置的參數(shù)包括：

① Node Count：總線上通信節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，數(shù)值應(yīng)設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大Node ID+1。

② Node Id：通過(guò)該物理端口參與通信的仿真節(jié)點(diǎn)所使用的Node ID。

③ Transmit Opportunity：節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)會(huì)的長(zhǎng)度（TO_TIMER），單位0.1微秒。同一網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的TO參數(shù)需保持一致。

圖4:10BASE-T1S 物理端口屬性配置

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10BASE-T1S通信多節(jié)點(diǎn)仿真

如需仿真多個(gè)10BASE-T1S通信節(jié)點(diǎn)，可為每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)獨(dú)立的物理端口，并通過(guò)線束連接到同一總線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可配置獨(dú)立的Node ID，在通信周期內(nèi)基于PLCA機(jī)制獲得對(duì)應(yīng)的傳輸機(jī)會(huì)。

圖5:獨(dú)立物理端口通信

然而，這種方法在需要仿真大量的10BASE-T1S通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)因需要配置對(duì)應(yīng)數(shù)目的物理端口而顯得不夠靈活且難以擴(kuò)展。10BASE-T1S能否像CAN總線一樣，只需使用一個(gè)物理端口就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真呢？

要使用一個(gè)10BASE-T1S端口仿真同一總線上的多個(gè)10BASE-T1S通信節(jié)點(diǎn)，需要解決10BASE-T1S通信中PLCA機(jī)制對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)通信周期內(nèi)只能發(fā)送一幀以太網(wǎng)報(bào)文的限制。如果僅在上位機(jī)中仿真多個(gè)節(jié)點(diǎn)，而只通過(guò)一個(gè)物理端口連接到總線網(wǎng)絡(luò)，它們會(huì)被視為對(duì)應(yīng)一個(gè)Node ID的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致發(fā)送行為受到影響（如圖6所示）。

圖6:共用物理端口導(dǎo)致通信時(shí)序錯(cuò)誤

為了更好地應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，帶有VNmodule60 1AE10M LAN8670模塊的VN5650支持新的配置選項(xiàng)，即“Multidrop Segment”?！癕ultidrop Segment”可配置一個(gè)10BASE-T1S物理端口，該端口的Node ID供所有仿真節(jié)點(diǎn)共享。

圖7:Multidrop Segment

這個(gè)選項(xiàng)修改了10BASE-T1S物理端口的行為，使用PLCA的突發(fā)（Burst）模式，允許每個(gè)連接到“Multidrop Segment”上的仿真節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)周期的同一個(gè)傳輸機(jī)會(huì)中分別發(fā)送一個(gè)以太網(wǎng)報(bào)文，多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的以太網(wǎng)報(bào)文會(huì)連續(xù)出現(xiàn)在總線上，之后傳輸機(jī)會(huì)再順延至下一Node ID的節(jié)點(diǎn)。這意味著在一個(gè)傳輸機(jī)會(huì)期間，該端口對(duì)應(yīng)的所有仿真節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都可以發(fā)送出去，從而更好地仿真多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享同一總線的情況。

圖8:Multidrop模式通信

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以太網(wǎng)模塊擴(kuò)展

為滿足以太網(wǎng)不同物理層和功能需求，Vector提供新的以太網(wǎng)模塊（VNmodule60）支持多種擴(kuò)展供用戶選配。每個(gè)以太網(wǎng)模塊可提供4個(gè)物理連接端口，而VN5650/VN5240具備3個(gè)模塊插槽，因此最多可同時(shí)使用12個(gè)端口。用戶能夠根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)需求更換和擴(kuò)展這些插件模塊，使VN5650/VN5240可以支持不同的物理層技術(shù)。

Vector最新發(fā)布支持MultiGBASE-T1通信的VNmodule60 2AE10G BCM89890模塊，用戶可以根據(jù)需要自由配置2.5GBASE-T1、5GBASE-T1和10GBASE-T1的鏈路參數(shù)（速率、主從等）。這一模塊采用了Yamaichi推免式兩針連接器（Yamaichi Y-Circ）。同時(shí)，Vector還提供相應(yīng)的線束（AEcable MultiGig系列），以確保用戶能夠輕松實(shí)現(xiàn)物理連接。

目前VN5650/VN5240支持如下VNmodule60模塊：

圖10:VNmodule60系列模塊及功能

此外，還有不同的插件模塊正在開(kāi)發(fā)中，以支持更多的物理層和功能（如MACsec），使VN5650/VN5240能夠不斷適應(yīng)未來(lái)的以太網(wǎng)技術(shù)和功能更新。

審核編輯：劉清