現代汽車可採用的通訊網路多種多樣，不只提升實作複雜度及成本，也容易形成「通訊孤島」。10Base-T1S結合現有100Base-T1和1000Base-T1標準，讓乙太網路成為整車通訊機制潛力股，有望簡化車用網路設計複雜度。
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，以及相關的備援與資料轉換作業。不過，有個方法可能有機會減輕這些作業負擔。10Base-T1S是一套汽車乙太網路標準，為2020年發布的IEEE 802.3cg 2019標準中的一環。這個每秒10Mbps的介面，能夠補足汽車應用中，乙太網路在低速資料通訊的缺口。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10Base-T1S的運作及使用方式。
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資料傳輸率區段 (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，如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定的遠距標準。
10Base-T1S的運作方式
10Base-T1S採用差動式曼徹斯特編碼(DME)。DME會根據時脈週期內是否具有轉換(Transition)來對資料進行編碼，藉此指出訊號的邏輯狀態。如果時脈週期內並未出現轉換，資料狀態就會是邏輯0；如果在時脈週期當中出現轉換(可正可負)，資料狀態則為邏輯1(圖2)。
圖2 10Base-T1S差動式曼徹斯特編碼的資料串流範例，垂直的橘線代表時脈間隔。時脈間隔期間出現轉換代表1；時脈間隔期間未出現轉換則代表0 (圖片來源：Art Pini)
相對於前一個狀態，邏輯1資料只可能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資料位元，因此更容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，避免發生資料衝突。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。只有獲得傳輸機會的PHY才能進行傳輸。
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，便開始新的週期。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)
所有節點皆可跳過傳輸機會，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可傳輸資料，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(Burst Mode)」，如0 PHY ID(綠色)所示。
PLCA結構完善，可避免資料封包發生衝突，實現最大的資料速率。
10Base-T1S的主要優勢在於可以建構於現有的乙太網路支援基礎上，因此能夠簡化汽車網路。10Base-T1S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設定和布線。
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3.3V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。
10Base-T1S擴展車用乙太網路可能性
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。由於汽車已經配有乙太網路，因此最合乎邏輯的做法就是盡可能擴大其使用範圍。10Base-T1S便是推動這波拓展行動的汽車乙太網路介面。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連接至公用匯流排，可減少布線量及交換器連接埠，藉此降低成本。
(本文作者為Digi-Key應用工程經理)