【導(dǎo)讀】隨著軟件定義汽車加速落地，高效、精簡、適配車載場景的通信技術(shù)成為行業(yè)核心訴求。10BASE-T1S作為專為車載與工業(yè)場景打造的以太網(wǎng)技術(shù)，為破解車載網(wǎng)絡(luò)瓶頸統(tǒng)一提供了關(guān)鍵方案。為幫助大家完整理解這項(xiàng)技術(shù)的核心價(jià)值，我們將通過兩篇技術(shù)文章詳細(xì)介紹。第一篇文章介紹了車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展痛點(diǎn)、精簡型以太網(wǎng)的行業(yè)需求等，本文將重點(diǎn)介紹10BASE-T1S芯片。
（一）安森美（onsemi）如何打造出眾的10BASE-T1S芯片
圖1：安森美T30HM1TS2500產(chǎn)品圖
安森美依托在10BASE-T1S以太網(wǎng)領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，推出了第二代10BASE-T1S MAC-PHY器件，T30HM1TS2500完全符合IEEE 802.3cg和OPEN Alliance TC14/10/6標(biāo)準(zhǔn)。這款收發(fā)器采用高性價(jià)比的階梯式可潤濕側(cè)翼QFNW20（4mm×4mm）封裝，基于雙極CMOS/DMOS（BCD）65nm工藝打造，可將高壓模擬功能與高密度數(shù)字功能相結(jié)合。T30HM1TS2500實(shí)現(xiàn)了安森美獨(dú)有的幾項(xiàng)10BASE-T1S功能，包括：
(1) PLCA協(xié)調(diào)器冗余
單對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰捎冒腚p工通信方案，同一時(shí)刻僅允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)正常通信；若多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，將引發(fā)沖突并造成兩個(gè)發(fā)送站的數(shù)據(jù)損壞，導(dǎo)致傳輸無法使用。
傳統(tǒng)以太網(wǎng)總線拓?fù)渲校鉀Q此類沖突的唯一標(biāo)準(zhǔn)方案為載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）協(xié)議。CSMA/CD機(jī)制要求設(shè)備在發(fā)送前先偵聽信道，一旦檢測到?jīng)_突則隨機(jī)退避并重傳，最多重試16次。這種處理問題的方法不具有確定性，效率低下。底層的退避機(jī)制會(huì)導(dǎo)致每次嘗試后等待時(shí)間加倍。與其說是仲裁，不如說是一種盡力而為的方法。
圖2：PLCA中的事件順序
如圖2所示，在由六個(gè)節(jié)點(diǎn)共享的總線上，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)時(shí)長為2μs的短幀專用符號(hào)，用于標(biāo)識(shí)傳輸周期的起始。當(dāng)接收到信標(biāo)信號(hào)時(shí)，連接的節(jié)點(diǎn)（也稱為跟隨節(jié)點(diǎn)）會(huì)同步到該傳輸周期。
每個(gè)站點(diǎn)均分配有唯一的PLCA ID，只有當(dāng)站點(diǎn)的ID與當(dāng)前的傳輸機(jī)會(huì)編號(hào)匹配時(shí)，才允許該站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。在預(yù)先設(shè)定的傳輸機(jī)會(huì)次數(shù)用完后，協(xié)調(diào)器會(huì)發(fā)送新的信標(biāo)信號(hào)來重置周期。該機(jī)制可從根本上避免沖突，并有助于最大限度地提高吞吐量。
因此，不再需要耗時(shí)的CSMA/CD退避機(jī)制，PLCA使10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)成為了具備輪詢仲裁能力的網(wǎng)絡(luò)。PLCA協(xié)調(diào)器冗余功能采用安森美自主研發(fā)并獲得專利的冗余協(xié)調(diào)器方案，可有效抵御故障，且能夠與其他廠商產(chǎn)品完全互操作。如此一來，即便指定的協(xié)調(diào)器出現(xiàn)異常，網(wǎng)絡(luò)中仍有節(jié)點(diǎn)可接管，確保總線上所有節(jié)點(diǎn)的PLCA功能正常運(yùn)行。
由于協(xié)調(diào)器冗余由PLCA協(xié)調(diào)層處理，主機(jī)無需了解或參與具體的操作，只需通過簡單的寄存器寫入即可啟用。與其他方案不同，安森美PLCA協(xié)調(diào)器冗余功能不會(huì)永久轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)器角色；換句話說，冗余協(xié)調(diào)器僅在專用協(xié)調(diào)器無法提供信標(biāo)時(shí)才處于活動(dòng)狀態(tài)。只需在10BASE-T1S網(wǎng)段中添加一個(gè)安森美MAC-PHY器件（HM1TS2500），可為協(xié)調(diào)器提供備份，顯著提升網(wǎng)段容錯(cuò)能力。
安森美的協(xié)調(diào)器冗余功能支持按層級(jí)順序部署多個(gè)冗余協(xié)調(diào)器，數(shù)量可與跟隨節(jié)點(diǎn)保持一致，優(yōu)先級(jí)由PLCA ID決定，ID越小優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)某個(gè)協(xié)調(diào)器故障時(shí)，下一個(gè)冗余協(xié)調(diào)器將接管；一旦原來的協(xié)調(diào)器恢復(fù)正常運(yùn)行，所有冗余協(xié)調(diào)器將立即恢復(fù)到“待命”狀態(tài)。整個(gè)過程無需上層軟件干預(yù)，對(duì)物理層以上各層完全透明。
(2) 增強(qiáng)型信號(hào)質(zhì)量指數(shù)（SQI+）
OPEN Alliance推出了SQI指標(biāo)（有時(shí)稱為信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)），供節(jié)點(diǎn)上報(bào)所接收信號(hào)的信噪比等級(jí)。安森美將OPEN Alliance定義的SQI等級(jí)從8級(jí)擴(kuò)展至32級(jí)。憑借更精細(xì)的分級(jí)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器能夠更準(zhǔn)確地檢測出網(wǎng)絡(luò)布局錯(cuò)誤、端接不當(dāng)、因線纜或組件故障和老化導(dǎo)致的信號(hào)劣化等異常情況。
這項(xiàng)增強(qiáng)特性使網(wǎng)絡(luò)固件能夠持續(xù)監(jiān)控信號(hào)劣化和故障風(fēng)險(xiǎn)，包括網(wǎng)絡(luò)布局錯(cuò)誤、信號(hào)端接不當(dāng)，或是因線纜和線束故障和老化而反復(fù)出現(xiàn)的問題。
(3) 增強(qiáng)型抗噪聲功能（ENI）
增強(qiáng)型抗噪聲功能（ENI）可在強(qiáng)噪聲環(huán)境下保障信號(hào)完整性。此功能利用了PLCA可完全避免總線沖突的機(jī)制，傳輸介質(zhì)中所有與信號(hào)無關(guān)的能量均可被準(zhǔn)確識(shí)別為噪聲并濾除。在10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)中，ENI技術(shù)可使設(shè)備在噪聲水平遠(yuǎn)超IEEE規(guī)范的條件下仍保持穩(wěn)定通信，為大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量鋪平道路。基于安森美10BASE-T1S收發(fā)器的實(shí)驗(yàn)表明：在同時(shí)啟用ENI與PLCA功能時(shí)，系統(tǒng)可在線纜長度超過150米的條件下實(shí)現(xiàn)可靠通信。
(4) 線束缺陷檢測（HDD）
安森美10BASE-T1S收發(fā)器集成內(nèi)置線纜故障診斷功能，可通過識(shí)別信號(hào)特征，判定以下故障類型：單線/雙線開路、單線/雙線對(duì)電源或?qū)Φ囟搪贰⑷笔味?雙端端接。
圖3：五節(jié)點(diǎn)總線中可使用HDD檢測的線束缺陷位置示意圖
安森美10BASE-T1S收發(fā)器，是首批依據(jù)OPEN Alliance TC14高級(jí)PHY診斷規(guī)范來實(shí)現(xiàn)線束缺陷檢測（HDD）功能的產(chǎn)品。如圖3所示，在總線上所有節(jié)點(diǎn)都處于靜默狀態(tài)時(shí)，可通過主機(jī)控制器的PHY管理接口（MDIO），將總線短時(shí)（僅數(shù)毫秒）切入專用診斷模式。HDD支持對(duì)線束完整性執(zhí)行按需式健康檢測。
(5) 能效模式
為了確保IVN能夠利用低功耗模式并隨時(shí)響應(yīng)喚醒調(diào)用，安森美將收發(fā)器設(shè)計(jì)為全面兼容休眠/喚醒（TC10）、本地喚醒輸入、本地喚醒轉(zhuǎn)發(fā)及用于穩(wěn)壓器控制的抑制輸出等模式。借助上述模式，設(shè)備可在無數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，并在需要處理傳輸任務(wù)時(shí)即刻喚醒。
在休眠模式下，安森美10BASE-T1S收發(fā)器的喚醒功能可由高達(dá)48V的電壓供電，工作電流低至20μA。
（二）汽車與工廠網(wǎng)絡(luò)性能的未來
如今，軟件定義汽車乃至延伸而來的軟件定義工廠，不僅有望實(shí)現(xiàn)從核心到邊緣的確定性、高可靠性能，更已具備落地條件，可降低系統(tǒng)復(fù)雜度與成本。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要專為邊緣場景設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)方案，而非基于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型改造而來的方案。
10BASE-T1S正是為此而生：它將以太網(wǎng)的可靠性與可擴(kuò)展性延伸至邊緣節(jié)點(diǎn)，支持多點(diǎn)總線連接，實(shí)現(xiàn)帶寬的高效利用。通過搭載完整的功能特性，10BASE-T1S在簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的同時(shí)，可充分滿足現(xiàn)代汽車與工業(yè)制造設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)和高性能的嚴(yán)苛要求。
安森美的T30HM1TS2500 10BASE-T1S MAC-PHY產(chǎn)品，正是為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)而精心打造。安森美產(chǎn)品兼具先進(jìn)的診斷能力與高能效特性，全面兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為下一代IVN與工廠車間網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)可靠的技術(shù)基石。安森美10BASE-T1S收發(fā)器既能支撐當(dāng)前可擴(kuò)展架構(gòu)的落地，也為未來的性能升級(jí)預(yù)留了充足空間。
