汽车通信新趋势：CAN 总线渐退，汽车以太网崛起之路

我们带着下面四个问题来看这篇文章

控制器局域网（CAN）总线技术为何能沿用近 40 年。
汽车电子不断演变的需求为何正超越 CAN 总线的能力范畴。
汽车以太网是如何发展起来，以满足当今（以及未来）高度计算机化车辆的独特需求的。
汽车以太网如何支持诸如驾驶辅助、防撞以及自动驾驶等应用所需要的分布式实时计算。

近四十年来，让现代 “计算机化汽车” 得以兴起的控制器局域网（CAN）总线，正逐步被更强大的技术（如汽车以太网）所取代。自 1986 年问世以来，CAN 总线为隐藏在现代汽车传动系统、车身电子设备和信息娱乐系统几乎每个部件中的电子控制单元（ECU）提供了一种高度可靠且低成本的通信方式。

尽管 CAN 总线主要是为汽车应用而开发的，但其低成本和高可靠性使其在数量惊人的其他应用中得到了广泛使用，这些应用包括农业设备、航空电子设备、工业自动化、电梯 / 自动扶梯、铁路以及海事系统

向汽车以太网的转变是由现代车辆计算机化子系统不断增长的带宽需求，以及对低延迟和精确计时功能的需求所推动的。
向汽车以太网的转变是由现代车辆计算机化子系统不断增长的带宽需求，以及对低延迟和精确计时功能的需求所推动的。

然而，最近，诸如自动刹车、碰撞警报 / 避免以及自动驾驶的各种其他要求等先进功能所需的更高数据速率、更低延迟和更快响应时间，已经远远超出了 CAN 总线的能力范围。由于其卓越的速度、多功能性以及支持有时限（同步）通信的能力，汽车以太网已成为 CAN 总线最有可能的继任者。

Ethernovia 公司首席执行官拉明・希拉尼（Ramin Shirani）表示：“向汽车以太网的转变是由多种因素驱动的，包括开放标准、多供应商解决方案，以及利用在以太网部署无处不在的其他行业中已经存在的网络和协议软件的能力。”

他补充道：“只有引入汽车以太网来传输激增的带宽，以支持诸如软件定义汽车和自动驾驶汽车等新应用，同时提供准确的计时（IEEE802.1AS）、安全性（MACSec）以及数据的可靠传输（IEEE802.1 TSN），车辆中下一代功能才有可能实现。”

为了理解这种演变发生的原因和方式，让我们来看看这两种技术的能力、差异和相似之处。

CAN 总线是什么？

CAN 总线是一种多主串行总线标准，主要用于连接汽车、卡车和其他嵌入式应用中的电子控制单元（也称为节点）。该总线通过一根双绞线进行通信，两根导线分别称为 CAN_Low 和 CAN_High。CAN 总线支持高速和低速信令模式，这两种模式均基于差分线与信令技术。

高速模式基于 ISO 11898-2 物理层标准，其中双绞线形成一条线性总线，两端各端接一个 120 欧姆的电阻。在这种配置下，当两条线未被驱动时，它们都会恢复到 2.5 伏（逻辑 1）的 “隐性” 状态。当这对导线被驱动到其 “显性” 状态（逻辑 0）时，CAN_Low 线被驱动向 0 伏靠近，而 CAN_High 线被拉向 5 伏靠近。

在显性状态下，两条线都不会达到电源轨电压，但两条线之间的差值提供了可靠的逻辑状态指示。根据总线的长度、节点的数量和其他变量，高速 CAN 总线可以支持 40 千比特每秒至 1 兆比特每秒之间的数据速率（图 2）。

2. 该时序图展示了高速 CAN 信令（根据 ISO 1188-2 标准）。
低速（又名容错）CAN 基于 ISO 11898-3 标准，支持 40 至 125 千比特每秒的数据速率。它可以使用几种不同的总线拓扑结构，包括线性总线、星形总线或多个星形总线。低速信令方案的工作方式与高速 CAN 类似，但电压摆幅更大，从而提供更高的抗干扰能力。此外，即使两根线中的一根出现故障，低速 CAN 总线也能使通信继续进行。

显性状态（逻辑 0）通过将 CAN_High 驱动到接近设备的电源电压（5 伏或 3.3 伏），同时将 CAN_Low 线驱动到接近 0 伏来传输。在隐性状态下，终端电阻将总线拉到逻辑 “1” 值，此时 CAN_High 为 0 伏，CAN_Low 为 5 伏。这允许使用更简单的接收器，该接收器只需查看 CAN_High 和 CAN_Low 之和的最终极性。

高速和低速 CAN 总线都使用一种数据包结构在节点之间传递消息，该结构包括一个标识符 / 优先级标签、一个用于传输数据的插槽（最多 64 位）以及一个校验和，以确保数据已被正确接收。对共享介质的访问由一种无损的逐位仲裁争用解决方法来管理，如 ISO 11898-1 链路层协议标准中所详述（图 3）。

CAN 总线数据包结构

更智能的汽车需要更智能的连接

尽管 CAN 总线有诸多优点，但它也存在一些局限性，使其无法满足当今车辆快速演变的需求。最明显的是，数据流量水平已经远远超过了 CAN 总线支持的 1 兆比特每秒的最大速率。

如今的汽车可以使用简单的低压差分信号（LVDS）链路来传输由十几个或更多车身摄像头生成的高速视频流，这些摄像头为支持驾驶辅助和自动驾驶系统的电子控制单元提供数据。然而，它们生成的控制信号和其他电子控制单元内部消息往往超出了 CAN 总线的容量。

此外，驾驶员安全和自动化系统要求数据和控制信号能够及时且可预测地到达。许多这些驾驶辅助和自动驾驶功能依赖于多个电子控制单元及其相关传感器之间的快速交互。因此，确保它们交换的控制和数据消息能够可预测地发生，并且延迟最小化变得至关重要 —— 有时最大可接受延迟以微秒为单位衡量

按域划分的典型现代车辆的连接需求分析

什么是汽车以太网？

CAN 总线最有前途的继任者之一是汽车以太网，它是无处不在的 802.3 以太网标准家族的一个变体，专门为汽车环境而改编。其中最重要的要求之一是使用一种线路编码方案，该方案几乎不受汽车环境中许多部分存在的高水平电磁干扰（EMI）的影响。

此外，它必须支持通过一根双绞线进行通信，以最大限度地减少网络线束的重量。同样重要的是，收发器电子设备以及它们通信所使用的布线必须在 ISO 16750-4 和 AEC-Q100 标准规定的整个温度范围内（通常为 - 40 至 125°C）完美运行。

为了满足重量要求，所有汽车以太网变体都基于一根双绞线，用于支持同时发送和接收操作，也称为全双工模式。消除第二对导线可以使车辆的电缆线束重量减轻多达 30%，尽管它确实有一个潜在的缺点：大多数版本的汽车以太网的最大电缆长度限制为仅 15 米，不过这对于几乎所有汽车应用来说已经足够了（图 5）。

比较汽车以太网和标准以太网的布线要求

按照 IEEE 的命名规则，所有基于单根双绞线物理层的汽车以太网变体的通用名称都包含 “-T1” 后缀，从最初的 802.3bw（100Base-T1）接口开始。自推出以来，该标准已扩展到包括 802.3bp（1000Base-T1）以及 802.3.cg（10Base-T1S）。使用 802.3ch（2.5/5/10 Gbase-T1）标准甚至可以实现更快的数据速率，但对于超过 5 Gb/s 的速度，它需要使用屏蔽双绞线电缆，以最大限度地减少 EMI 问题（见表格）。

汽车以太网数据速率和特性

100Base-T1 和 1000Base-T1 版本的汽车以太网都采用三级脉冲幅度调制（PAM-3）调制，其中每个传输的符号由三个电压电平之一表示。这种信令方法能够在每个时钟周期传输 1.5 位，并与双电平信号相比，在相同波特率下提高了吞吐量。其他以超过 1 Gb/s 的速度传输的 XXBase-T1 以太网标准使用 PAM4 信令（即具有四个逻辑电平），这以降低噪声容限为代价提高了吞吐量

100Base-T1 和 1000-Base-T1 汽车以太网使用 PAM3 信令方案，该方案定义了三个级别，分别指定为逻辑 - 1、0 或 + 1

对于需要更长电缆长度的应用，IEEE 推出了 802.3cz。它是一种光物理层，支持 2.5/5/10/25/50 Gb/s 的数据速率，使用渐变折射率玻璃光纤时传输距离可达 40 米。

为了进一步减少车辆中所需的布线量，汽车以太网支持 IEEE -801.3bu，这是以太网供电（PoE）技术的一种新变体。IEEE 801.3bu—1-Pair Power over Data Lines（PoDL）工作组已成功推出了一项标准，只需对现有 PoE 标准进行微小修改，即可支持通过单根双绞线进行 PoE 供电。

汽车以太网实现极致实时性能

除了原始速度之外，汽车以太网标准还纳入了多种机制，以支持车辆内精确的实时功能：

IEEE 802.1AS（桥接局域网中对时间敏感应用的定时和同步）标准用于支持需要对多个传感器同时采样或知道测量时间的算法。它能够以亚微秒精度在不同节点进行同步测量。
时间触发以太网支持需要单微秒通信延迟的控制功能。IEEE 802.3br 标准创建了一个系统，在该系统中，高优先级数据包（称为快速数据包）无需等待现有数据包传输完成，而是可以暂时中断现有数据包以立即传递。
音视频桥接（AV Bridging）为汽车以太网提供了一个由两部分组成的机制，用于从摄像头和其他传感器流式传输数据包，且不受干扰并尽可能减少延迟。802.1Qat（流预留）是一种简单的预留协议，用于通知共享数据路径中的各种网络元素预留支持特定流所需的资源。801.1Qav（AV 桥接的排队和转发）定义了必要的规则，以确保 AV 流能够在预留中指定的延迟内通过网络。