如何实现 10Base-T1S 接口，迈向汽车统一网络架构

设计现代汽车已经够难的了，还需要处理多个通信网络并考虑其中的冗余和数据转换。事实证明，可能有一个更好的方法。10Base-T1S 是作为 2020 年发布的 IEEE 802.3cg 2019 标准的一部分而制定的汽车级以太网网络标准。它是一种每秒 10 兆比特 (Mb/s) 的接口，填补了汽车应用中以太网在低速数据通信领域的覆盖空白。这样一来，就可以在整个汽车中使用相同的软件栈和通信机制，大大简化了设计、实现和系统维护。让我们来看看它是如何工作的，以及如何着手使用。

10Base-T1S 在一条非屏蔽双绞线上运行，并提供被业界归类为“以太网到边缘”技术。它补充了现有的更高速的以太网汽车总线，包括 100Base-T1 和 1000Base-T1，被称为单对以太网 (SPE)（图1）。

图 1：10Base-T1S 填补了全集成以太网汽车网络的低数据率部分。（图片来源：Microchip Technology）

该链接作为半双工总线运行，最大长度为 25 米 (m)。它支持两到八个节点的多点连接。标准名称中的 "S" 表示短程实现。10Base-T1S 旨在取代现有的总线，如 CAN、CAN FD、LIN 和 RS-485，它们往往形成“通信孤岛”。

有一个相关的标准，即 10Base-T1L，是一个用于工业应用的远程实现。

10Base-T1S 工作原理

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（图 2）。

图 2：一个 10Base-T1S 差分曼彻斯特编码数据流示例。垂直的橙色线条表示着时钟间隔。在时钟间隔内有转换代表 1；在时钟间隔内没有转换代表 0。（图片来源：Art Pini）

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。每个时钟间隔都会出现一个数据位，这样在嘈杂的汽车环境中就更容易进行时钟恢复。

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 3）。

图 3：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，最大限度地提高数据速率。

10Base-T1S 的主要优势是，它是建立在现有的以太网支持基础上，简化了汽车网络。它使用与 100Base-T1 和 1000Base-T1 相同的软件栈，没有网关，只是 PHY 配置和布线不同。

10Base-T1S 入门

Microchip Technology 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。

需要了解这些收发器的功能吗？Microchip 提供了两块基于 LAN8670 的评估板。第一个是 EV08L38A 以太网 PHY 接口评估板，它包括一个 USB 接口，允许计算机通过 USB2.0 连接到 10Base-T1S 以太网网络。第二块是 EV06P90A，它使用 RMII 接口与 Microchip 的一个 ECU 连接。

结语

虽然汽车中有许多通信网络，且各有用处不同，但从整体实现复杂性和成本的角度来看，限制网络种类通常是明智之举。由于汽车中已经有了以太网，尽可能地扩大其使用范围是合乎逻辑的。10Base-T1S 是一个汽车以太网接口，可以实现这种扩展。应用过程中，它可以消除整个以太网网络上的传统网关，并将多个 PHY 连接到一个共同的总线上减少了布线和交换机端口，因此降低了成本。