汽车区域架构中的 TSN：启用以太网环形架构和 AVB 分布式音频

核心观点与关键数据

汽车制造商正推动车载高速以太网主干的发展，采用以太网环形架构、时间敏感网络(TSN)和音频视频桥接(AVB)技术，以满足更高带宽和快速通信的需求。

区域架构与以太网拓扑

• 区域架构：通过区域控制模块(ZCM)汇总传感器数据，再通过主干通信发送至中央计算单元(CCU)。
• 以太网拓扑：
  • 环形拓扑：通过双向传输实现冗余，即使链路中断也能保持通信，适用于安全关键型数据传输。
  • 星形拓扑：需要额外链路实现冗余，成本更高，中断时通信会中断。

TSN与实时控制

• TSN作用：确保时间敏感型数据的同步，支持低确定性延时，对音频数据传输至关重要。
• 关键协议：
  • IEEE 802.1AS：提供精确时间同步。
  • IEEE 802.1Qbv：流量调度增强。
  • IEEE 802.1Qav：支持AVB。
• 端到端延时：环形架构中，节点数量增加会导致延时上升，公式为 \(T = A + B\)，其中 \(A\) 为交换机数据包残留延迟，\(B\) 为软件延时。

以太网环形架构实施

• 实施选项：
  • MCU + 外部交换机和PHY。
  • MCU + 集成式交换机和外部PHY。
  • MCU + 集成式PHY的外部交换机。
• 硬件选择：集成式交换机成本较低，但硬件加速型交换机能显著降低延时（约69μs减少）。
• 实施过程：数据封装、双向复制、转发、重复数据包丢弃、环形终止。

AVB与音频播放

• AVB作用：通过以太网传输音频数据，确保音频同步播放。
• 主要协议：
  • IEEE 802.1BA：AVB框架。
  • IEEE 802.1Qav：AVB流量调度。
  • IEEE 1722：AVB传输协议。
• 音频类型：
  • 免提通话。
  • 主动降噪(ANC)。
  • 娱乐系统音频。
  • 声学车辆警示系统。
• AVB实施：简化音频总线设计，缩短扬声器布线，支持星形和环形拓扑。

ZCM中AVB实施

• 媒体时钟同步：通过以太网MAC、PHY、gPTP、IEEE 1722等实现。
• 硬件支持：TI DP83TG721-Q1 PHY集成媒体时钟恢复功能，AM263P4-Q1 MCU模拟I2S音频数据。

研究结论

• 以太网环形架构提升车载网络可靠性，TSN和AVB优化数据传输和布线。
• 环形架构虽增加节点会提升延时，但硬件加速可显著降低。
• AVB通过以太网传输音频，简化系统设计并支持同步播放。
• TI的MCU和PHY方案（如AM263P4-Q1和DP83TG721-Q1）适合此类应用。