如何實作 10Base-T1S 介面來達成統一的車用網路架構

想要設計出現代化汽車，就不太可能不去處理多種通訊網路，以及相關的備援與數據轉換作業。事實證明，可能有更好的方法。10Base-T1S 是一套汽車乙太網路標準，更是 2020 年發佈的 IEEE 802.3cg 2019 標準中的一環。這個每秒 10 Mbit/s 的介面，可讓汽車應用的乙太網路應用範圍延伸到低速數據通訊領域。如此一來，便能在整台汽車中使用相同的軟體堆疊及通訊機制，大幅簡化設計、實作以及系統維護工作。讓我們來看看運作方式，以及如何開始使用。

10Base-T1S 採用單一非屏蔽式雙絞線，提供一種業界歸類為「乙太網路對邊緣」(Ethernet to the Edge) 的技術。此技術可以輔助現有的較高速乙太網路汽車匯流排，包括 100Base-T1 和 1000Base-T1，亦稱為單對乙太網路 (SPE) (圖 1)。

圖 1：10Base-T1S 讓全整合式乙太網路汽車網路補足低數據傳輸率區段。(圖片來源：Microchip Technology)

此鏈路會以半雙工匯流排的形式運作，最大長度為 25 公尺。支援兩個至八個節點的多點連接。標準名稱中的「S」代表這是短程實作。10Base-T1S 的預期用途是取代往往會形成「通訊孤島」的現有匯流排，像是 CAN、CAN FD、LIN、RS-485。

另一個相關標準 10Base-T1L，則是針對工業應用所制訂的遠距標準。

10Base-T1S 的運作方式

10Base-T1S 採用差動式曼徹斯特編碼 (DME)。DME 會依據時脈週期內是否有轉換來對數據進行編碼，藉此指出訊號的邏輯狀態。如果時脈週期內沒有轉換，數據狀態就會是邏輯 0。如果在時脈週期當中有出現轉換 (可正可負)，數據狀態則為邏輯 1 (圖 2)。

圖 2：10Base-T1S 差動式曼徹斯特編碼的數據串流範例。垂直的橘線代表時脈間隔。時脈間隔期間出現轉換代表 1；時脈間隔期間沒有轉換則代表 0。(圖片來源：Art Pini)

相對於前一個狀態，邏輯 1 數據只可能會在時脈間隔期間變高或變低，因此不需要重置轉換。每個時脈間隔都會出現一個數據位元，因此可更輕易在高雜訊的汽車環境中恢復時脈。

在多點環境中，會有多個裝置連接到匯流排。10Base-T1S 使用實體層 (PHY) 衝突規避 (PLCA) 來縮短失效時間，並可在多個裝置嘗試同時通訊時，避免發生數據衝突。PLCA 會建立傳輸週期，藉此協調匯流排上的傳輸機會。在 PCLA 機制下，每個節點的 PHY 都會獲得一個不重複的 PHY ID。只有獲得該傳輸機會的 PHY 才能傳輸。

傳輸機會將以循環演算法分配，從分配給主節點的 PHY ID = 0 開始。主節點傳送出稱為 BEACON 的同步碼型來表示 PLCA 週期的開頭後，一個新的週期就開始了。當傳輸機會與自己的節點 ID 相符時，節點才能開始傳輸 (圖 3)。

圖 3：以信標同步碼型 (B) 展開 PLCA 週期的範例。最左邊的週期是最短的匯流排週期。下一個週期則有數種可允許的傳輸種類。(圖片來源：Art Pini)

任何節點都可跳過傳輸機會，只要不使用該時槽即可，如「N」所示。節點在其分配到的時槽期間，就可傳輸數據。節點可以擴大其時槽，如時槽 2 (藍色) 所示。進行傳輸的節點可以在其時槽中插入「commit」來延長時槽，藉此補償媒體存取控制 (MAC) 的延遲，如時槽 3 (黃色) 所示。節點可以針對具有高優先權的訊息進入「突衝模式」，如 0 PHY ID (綠色) 所示。

PLCA 結構完善，可避免數據封包發生衝突，發揮最大的數據傳輸率。

10Base-T1S 的主要優勢在於可以建構在現有的乙太網路支援基礎上，因此能簡化汽車網路。使用的軟體堆疊與 100Base-T1、1000Base-T1 相同，無需閘道器，唯一不同之處在於 PHY 設定和佈線。

開始使用 10Base-T1S

Microchip Technology 已推出三款 10Base-T1S 收發器：LAN8670B1-E/LMX、LAB8671B1-U38、LAN8672B1-E/LNX。這些收發器均包含所有 10Base-T1S 功能，不同之處只在於實體封裝和電子控制單元 (ECU) 介面。LAN8670 採用 32-VQFN 封裝，支援媒體獨立介面 (MII) 和精簡媒體獨立介面 (RMII) ECU 介面；LAN8671 採用 24-VQFN 封裝，支援 RMII 介面；LAN8672 採用 36-VQFN 封裝，支援 MII 介面。這三款收發器皆可在 -40°C 至 +125°C 的車用延伸溫度範圍內工作，並以 3.3 V 電源供電。

想了解這些收發器有哪些功能嗎？Microchip 提供兩款以 LAN8670 為基礎的評估板。第一款是 EV08L38A 乙太網路 PHY 介面評估板，其中包含 USB 介面，可讓電腦透過 USB2.0 連接到 10Base-T1S 乙太網路。第二款是 EV06P90A，可使用 RMII 介面連接到 Microchip 其中一個 ECU。

結論

雖然汽車中的眾多通訊網路各有千秋，但從整體實作複雜度和成本的角度來看，限縮網路的種類通常是較好的做法。由於汽車中已經配有乙太網路，因此最合乎邏輯的做法就是盡可能地擴大其使用範圍。10Base-T1S 便是推動這波拓展行動的汽車乙太網路介面。在過程中，無需傳統閘道器即可建構整個乙太網路，並可將多個 PHY 連接到公用匯流排，可減少佈線量及交換器連接埠，藉此降低成本。