【導讀】在汽車行業智能化、網wang聯lian化hua加jia速su演yan進jin的de大da背bei景jing下xia，車che載zai網wang絡luo架jia構gou正zheng經jing曆li著zhe深shen刻ke變bian革ge。汽qi車che製zhi造zao商shang們men紛fen紛fen發fa力li，大da力li推tui動dong車che載zai高gao速su以yi太tai網wang主zhu幹gan網wang絡luo的de構gou建jian。其qi中zhong，以yi太tai網wang環huan形xing架jia構gou、時間敏感網絡（TSN）以及音頻視頻橋接（AVB）等新興技術趨勢脫穎而出，成為打造可靠時間敏感型數據傳輸體係的關鍵力量
，為汽車網絡的高效運行注入新動能。

簡介

在汽車行業智能化、網wang聯lian化hua加jia速su演yan進jin的de大da背bei景jing下xia，車che載zai網wang絡luo架jia構gou正zheng經jing曆li著zhe深shen刻ke變bian革ge。汽qi車che製zhi造zao商shang們men紛fen紛fen發fa力li
，大da力li推tui動dong車che載zai高gao速su以yi太tai網wang主zhu幹gan網wang絡luo的de構gou建jian。其qi中zhong

，以yi太tai網wang環huan形xing架jia構gou、時間敏感網絡（TSN）以及音頻視頻橋接（AVB）等新興技術趨勢脫穎而出
，成為打造可靠時間敏感型數據傳輸體係的關鍵力量，為汽車網絡的高效運行注入新動能。

該(gai)行(xing)業(ye)正(zheng)麵(mian)臨(lin)對(dui)更(geng)高(gao)帶(dai)寬(kuan)與(yu)更(geng)快(kuai)速(su)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)的(de)迫(po)切(qie)需(xu)求(qiu)，以(yi)便(bian)在(zai)整(zheng)車(che)範(fan)圍(wei)內(nei)傳(chuan)輸(shu)安(an)全(quan)關(guan)鍵(jian)型(xing)和(he)時(shi)間(jian)敏(min)感(gan)型(xing)數(shu)據(ju)。在(zai)下(xia)一(yi)代(dai)區(qu)域(yu)架(jia)構(gou)中(zhong)，他(ta)們(men)正(zheng)研(yan)究(jiu)以(yi)太(tai)網(wang)環(huan)形(xing)架(jia)構(gou)，以(yi)實(shi)現(xian)冗(rong)餘(yu)設(she)計(ji)。同(tong)時(shi)
，他(ta)們(men)也(ye)在(zai)嚐(chang)試(shi)將(jiang)更(geng)多(duo)類(lei)型(xing)的(de)數(shu)據(ju)（包括音頻）整合至以太網主幹中

，以減少線束。

區域架構通過區域控製模塊 (ZCM)，將來自各類傳感器與電子控製單元 (ECU) 的數據，傳輸至邊緣節點通信網絡。隨後，如圖 1 所示，這些 ZCM 會通過主幹通信，將彙總後的傳感器數據發送至中央計算單元 (CCU)。

圖 1 適用於區域架構的車載網絡

以yi太tai網wang環huan形xing架jia構gou是shi在zai現xian有you的de高gao帶dai寬kuan以yi太tai網wang主zhu幹gan基ji礎chu上shang構gou建jian的de，通tong過guo讓rang每mei個ge節jie點dian同tong時shi與yu兩liang個ge相xiang鄰lin節jie點dian相xiang連lian
，實shi現xian了le網wang絡luo冗rong餘yu。由you於yu數shu據ju可ke以yi在zai順shun時shi針zhen與yu逆ni時shi針zhen兩liang個ge方fang向xiang同tong時shi傳chuan輸shu，即ji使shi某mou一yi條tiao以yi太tai網wang鏈lian路lu發fa生sheng中zhong斷duan，CCU 仍能與 ZCM 保持通信。

隨著車載網絡帶寬的提升，主幹以太網可傳輸更多類型的數據，例如音頻
、雷(lei)達(da)和(he)攝(she)像(xiang)頭(tou)數(shu)據(ju)。在(zai)汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)逐(zhu)步(bu)過(guo)渡(du)到(dao)區(qu)域(yu)架(jia)構(gou)的(de)早(zao)期(qi)階(jie)段(duan)
，他(ta)們(men)主(zhu)要(yao)將(jiang)車(che)身(shen)功(gong)能(neng)整(zheng)合(he)進(jin)各(ge)個(ge)區(qu)域(yu)模(mo)塊(kuai)中(zhong)。但(dan)理(li)想(xiang)的(de)區(qu)域(yu)架(jia)構(gou)應(ying)當(dang)能(neng)夠(gou)支(zhi)持(chi)跨(kua)域(yu)應(ying)用(yong)。音(yin)頻(pin)是(shi)主(zhu)要(yao)目(mu)標(biao)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei) AVB 標準能夠為音頻數據提供確定性的延遲。將音頻播放功能移入 ZCM 後

，由於音頻數據可以通過以太網傳輸，因此可以無需單獨的通信總線。

啟用實時控製和時間敏感型數據

TSN 可確保通過以太網網絡中時間敏感型數據的同步。在車載網絡中增加時間敏感型數據並啟用實時控製，會提升係統對 CCU 與各區域間高速通信鏈路可靠性的要求。因此
，以太網環形架構提供的冗餘支持對 TSN 應用（包括以太網 AVB）非常有利；但需要注意的是，環形架構並非 TSN 的必需條件，反之亦然。

定義 TSN 的幾項協議包括：

• 電氣電子工程師學會 (IEEE) 802.1AS — 通用精確時間協議 (gPTP)，提供具有確定性延時、低數據包延遲差異和低數據包丟失的數據同步功能。

• IEEE 802.1Qbv — 流量調度增強。

• IEEE 802.1Qav — 支持 AVB。

雖然以太網環形架構並非必須使用 TSN，但 TSN 有助於保證低確定性延時。IEEE 802.1AS dingyileyizhongshujutongbufangfa
，jingdukedahaomiaodaonamiaoji。zhezhongjingdushuipingduiyitaiwanghuanxingjiagouyouyi，kezaishujubaochuliyuchuanshuguochengzhong
，tongguoyingyongtiaozhengheshixubuchanglaidixiaopianyiyanshi。ciwai
，IEEE 802.1Qbv 還支持調度流量增強，這有助於對以太網主幹數據進行優先級管理與調度。

TSN 對於音頻數據是必需的，因為它能夠確保即使路徑延遲不同，車內各位置的音頻播放依然保持同步。IEEE 802.1Qav 定義了 AVB 支持，用於通過以太網傳輸音頻和視頻數據。

以太網拓撲：環形與星形

許多第一代區域架構采用星形拓撲
，其中 CCU 與每個 ZCM 通過點對點以太網直接連接。因此，每個 ZCM 之間的通信要麼通過 CCU 轉發，要麼通過額外的點對點以太網連接
，實現從右側 ZCM 到左側 ZCM 的直接區域間通信。另一種方式是環形拓撲，即將所有節點連接成閉環

，使數據可以在環路中以順時針和逆時針進行雙向傳輸。圖 2 中比較了環形拓撲與星形拓撲的差異。

圖 2 正常運行中的環形與星形通信路徑

圖 3 演(yan)示(shi)了(le)以(yi)太(tai)網(wang)鏈(lian)路(lu)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)的(de)兩(liang)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)的(de)表(biao)現(xian)情(qing)況(kuang)。環(huan)形(xing)拓(tuo)撲(pu)通(tong)過(guo)交(jiao)替(ti)的(de)單(dan)向(xiang)以(yi)太(tai)網(wang)保(bao)持(chi)與(yu)所(suo)有(you)區(qu)域(yu)的(de)通(tong)信(xin)。此(ci)外(wai)，環(huan)形(xing)拓(tuo)撲(pu)通(tong)過(guo)雙(shuang)向(xiang)同(tong)時(shi)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)消(xiao)除(chu)了(le)切(qie)換(huan)時(shi)間(jian)，因(yin)此(ci)即(ji)使(shi)一(yi)條(tiao)路(lu)徑(jing)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)，數(shu)據(ju)也(ye)能(neng)立(li)即(ji)沿(yan)另(ling)一(yi)條(tiao)路(lu)徑(jing)繼(ji)續(xu)傳(chuan)輸(shu)，這(zhe)對(dui)於(yu) ECU 間安全關鍵型數據的傳輸至關重要。相比之下，當星形拓撲網絡中的某條以太網連接斷開時，與該 ZCM 的所有通信將立即中斷，迫使其進入受限運行模式，並回退至預設的安全狀態。

圖 3 以太網連接中斷時的環形與星形通信路徑

以太網環形架構本身具備冗餘特性，而星形架構則需要額外的通信鏈路才能實現同等保護
，如圖 4 所示。為每個 ECU 添加重複的通信鏈路（如以太網或 CAN）會增加係統成本和車重。

圖 4 環形拓撲與星形拓撲中的冗餘

以太網環形架構的一個缺點是，節點數量增加會導致 ECU 間jian的de端duan到dao端duan延yan時shi上shang升sheng。例li如ru，具ju有you四si個ge節jie點dian的de以yi太tai網wang環huan形xing架jia構gou的de端duan到dao端duan延yan時shi比bi具ju有you三san個ge節jie點dian的de以yi太tai網wang環huan形xing架jia構gou更geng高gao。這zhe種zhong額e外wai延yan時shi主zhu要yao來lai源yuan於yu每mei個ge ECU 交換機中的數據包殘留延遲以及數據包複製的軟件延時，如圖 5 所示。

圖 5 軟件中的數據包殘留延遲和數據包複製

表 1 計算了額外延時。

表 1 軟件中殘留數據包延遲和數據包複製導致的以太網環延時

表 1 假設條件：每秒 2,000 個數據包 (PPS)，1Gbps 以太網
，CPU 以 400MHz 運行（單核，負載小於 60%）。

公式 1 將以太網環形架構的端到端延時表示為：

方程式 1.                                                                   (1)                                                                                                                                 

其中 A 是交換機中的數據包殘留延遲，B 是數據包複製的軟件延時。

以太網環形架構實施

以太網環形架構的實施需要在每個節點上配置微控製器 (MCU)、以太網交換機以及兩個以太網物理層 (PHY)。MCU 負責對數據進行封裝與解封裝，將其他數據包轉換為以太網數據包，反之亦然。以太網交換機提供硬件卸載支持，包括數據包的轉發

、複製、環路終止以及重複數據包的檢測與丟棄等功能，這些均遵循 IEEE 802.1cb 標準（如果硬件不支持
，也可通過軟件實現）。目前存在三種不同的實施選項
，如圖 6 所示。

•具有外部以太網交換機和外部以太網 PHY 的 MCU。

•具有集成式以太網交換機和外部以太網 PHY 的 MCU。

•帶有集成式以太網 PHY 的外部以太網交換機的 MCU（也可將外部 PHY 與集成 PHY 結合使用）。

圖 6 以太網環形硬件實施選項

在選擇不同的硬件實施時

，需要考慮成本、應用與延時。通常情況下

，集成式交換機的成本低於外部交換機。區域控製器通常隻需五個或更少的以太網連接即可與其他高速 ECU（例如 ZCM

、CCU 和雷達模塊）進行通信。然而，大多數可用的以太網交換機都配備了八個或更多端口，當係統僅需五個或更少端口時，這會造成係統成本的增加。

支持 IEEE 802.1cb 等高級協議的硬件加速型以太網交換機（無論是集成式還是外部）
，能夠顯著降低延時；相比之下
，基於軟件實施的方案通常會增加約 20μs 的延時。同時，具備 IEEE 802.1Qbv 功能的交換機還能通過優先級隊列優化流量調度，進一步減少延時。TI 提供多種 MCU，支持通用平台交換機 (CPSW)

、IEEE 802.1Qbv 以及類似於 IEEE 802.1cb 中的功能。

圖 7 展示了使用具有集成 CPSW 和外部以太網 PHY 的 TI MCU (AM263P4-Q1) 的以太網環形實施。

圖 7 使用 AM263P4-Q1 的以太網環形實施

以太網環形實施過程從 MCU 內的數據封裝開始，如階段 1 所示。這些數據可以包括來自 CAN
、局域互聯網絡、其他汽車接口的高優先級車輛數據、音頻數據以及非保證服務流量。在階段 2，係統在兩個以太網端口對數據包進行複製，以順時針和逆時針兩個方向發送數據
；這一複製可通過軟件或硬件完成，具體取決於交換機的能力。AM263P4-Q1 能夠通過硬件實現這一點。

在階段 3，當節點接收到的數據的目標媒體訪問控製 (MAC) 地址與 PHY 的 MAC 地址不匹配時，以太網交換機會將該數據包轉發到環形中的下一個節點。在階段 4，目標節點會通過軟件或硬件丟棄重複的數據包
，使 ZCM 無法處理從兩個方向到達的相同數據包。環形終止也與重複數據包抑製協同工作，以防止環形內的冗餘幀無限循環。

TI 的 AM263P4-Q1 MCU 非常適合以太網環形應用，因為其 CPSW 在硬件中實現了數據包複製，從而使得在 1Gbps 以太網條件下端到端延時最多可減少約 69μs。表 2 比較了基於軟件與基於硬件的數據包複製在各階段的延遲，假設每秒 10000 個數據包且載荷為 1500 字節。

表 2 軟件與硬件中存在數據包複製延時

使用AVB將音頻播放添加到以太網主幹中

盡管 AVB 並不要求使用環形架構


，但環形架構提供的冗餘可讓更多數據安全地通過 ZCM。AVB 的出現早於 TSN，最初專注於音頻應用，隨後擴展為支持更廣泛數據類型的 TSN。如今，AVB 通常指麵向音頻的 TSN 應用，通過以太網傳輸音頻數據包，將音頻播放分發到各個區域模塊。主要的 AVB 協議包括：

•IEEE 802.1BA — 用於架構和配置文件的 AVB 框架。

•IEEE 802.1Qav – 時間敏感型網絡的 AVB 流量調度。

•IEEE 1722 – AVB 傳輸協議。

yinpinbofangxuyaoyishedingdecaiyangsulvxiangyinpinfangdaqichuanshuyinpinshuju。weilezaiduogequyutongshibofangyinpin，meigequyubixubaochishijianduiqi，yibimianyinxiangweicuoweizaochengdeyinpinbaozhenwenti。AVB 通過補償以太網網絡中數據包延時的差異，可確保 ZCM 間音頻播放保持一致且時間對齊。

區域架構中的音頻

通常情況下，車輛會處理四種類型的音頻數據：

•通過麥克風捕捉的人聲，用於免提通話。

•通過路麵傳感器或麥克風捕捉的噪聲，用於主動降噪 (ANC)。

•在車內揚聲器播放的音頻，用於娛樂係統和 ANC。

•在混合動力汽車和電動汽車外部揚聲器播放的音頻，用於聲學車輛警示係統。

目前典型的音頻解決方案通常使用獨立的專有音頻總線或模擬信號在車輛內部傳輸音頻數據。而以太網 AVB 則是一種非專有解決方案，通過利用現有以太網主幹
，將音頻播放數據從 CCU 傳輸到各區域模塊

，從而減少布線。在以太網總線上
，車內揚聲器音頻播放是首個被采用的音頻數據類型。圖 8 展示了其實施方法。

圖 8 四種潛在的音頻播放解決方案

圖 8 中的第一個示例展示了獨立於車輛架構的傳統音頻總線網絡。所有的聲音采集數據都通過數字音頻總線傳輸；CCU 或數字座艙 ECU 負fu責ze處chu理li娛yu樂le係xi統tong音yin頻pin數shu據ju
，而er外wai部bu放fang大da器qi模mo塊kuai則ze負fu責ze數shu字zi信xin號hao處chu理li及ji揚yang聲sheng器qi輸shu出chu。該gai架jia構gou的de主zhu要yao缺que點dian是shi從cong外wai部bu放fang大da器qi模mo塊kuai到dao揚yang聲sheng器qi的de布bu線xian較jiao長chang。

圖 8 中的第二個圖演示了在區域架構下使用獨立音頻總線的音頻實施。聲音采集數據仍通過數字音頻總線傳輸至 CCU 進行數字信號處理。隨後，音頻播放數據從 CCU 通過數字音頻總線傳輸到 ZCM，再由 ZCM 放大並輸出到揚聲器。這種方法由於音頻放大器位置靠近揚聲器
，縮短了揚聲器布線長度；但同時
，音頻總線變得更加複雜。

圖 8 中的第三個圖和第四個圖展示了 AVB 音頻播放實施。數字信號處理仍在 CCU 中進行，但音頻播放數據通過以太網傳輸。這種方法既適用於星形拓撲
，也適用於環形拓撲；其中，環形拓撲為音頻數據提供了額外的冗餘保障。此方法同時簡化了音頻總線設計
，並保持揚聲器布線較短。

在 ZCM 中實施 AVB

通常情況下，以太網網絡包括 MCU、以太網交換機和以太網 PHY
，且這些元件之間通常需要一定程度的集成。這些元件通過以下方式實現媒體時鍾同步 (圖 9)：

•以太網 MAC。

•以太網 PHY。

•IEEE802.1AS (gPTP)。

•IEEE1722 媒體時鍾恢複。

•媒體時鍾生成。

圖 9 媒體時鍾同步解決方案示意圖

以太網 PHY 負責傳輸和接收以太網數據包。以太網 MAC 通過封裝和解封數據包來管理數據傳輸。gPTP 協議可在所有網絡器件間同步本地時鍾
，以保持一致的時間基值。IEEE 1722 媒體時鍾恢複使用以太網數據包中的嵌入式時序信息來調整音頻媒體時鍾：一種是稱為幀同步 (FSYNC) 的音頻采樣時鍾，而另一種是音頻數據串行器比特時鍾 (SCLK)。

圖 10 展示了 AVB 實施的可能元件圖。

圖 10 在 MCU

、以太網交換機和以太網 PHY 中實施媒體時鍾同步

TI 采用 DP83TG721-Q1，其集成了媒體時鍾恢複功能
，可根據輸入的以太網流重新同步本地媒體時鍾。該 PHY 在硬件層麵生成音頻采樣率的媒體時鍾 (FSYNC) 以及音頻數據串行器比特時鍾 (SCLK)。PHY 硬件還負責管理音頻數據包的呈現時間。AM263P4-Q1 MCU 通過其可編程實時單元模擬 I2S 音頻數據
，從而與 TAS6754-Q1 音頻放大器進行通信。圖 11 展示了此解決方案。

圖 11 使用 AM263P4-Q1
、DP83TG721-Q1 和 TAS6754-Q1 的 TI AVB 解決方案

表 3 列出了適用於以太網環形架構和 AVB 的協議。

表 3 適用於以太網環形架構和 AVB 的協議列表

結語

總而言之，將TSN、AVB與以太網環形架構融合應用於汽車區域控製器
，標誌著車載網絡設計從“功能連接”向“服務保障”的質變。環形拓撲提升了基礎網絡的魯棒性，而TSN/AVB則確保了音頻、控製指令等時間敏感數據的傳輸精準度與服務質量。這種“硬冗餘”與“軟調度”的結合
，不僅大幅簡化了線束複雜度
、jiangdilechengben，gengzhongyaodeshiweiweilaiqichegengduogongnengdejichengyudiedai
，tigongleyigejikekaoyoukekuozhandegaosutongxindizuo。suizhebiaozhunhuajinchengdetuijin，zhetaojiagoujiangchengweizhichengzhinengqicheshuzihuatiyanyuanquanjinhuadehexinjichusheshi。

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