车载以太网自学笔记

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车载以太网是一种连接车内电子单元的新型局域网技术,本文线束工程师之家主要分享下车载以太网的学习笔记。

一、技术简介

1.1名词解释

车载以太网是一种连接车内电子单元的新型局域网技术,在单对非屏蔽双绞线上可实现 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的数据传输速率,同时满足汽车行业高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

1.2基本技术原理

车载以太网技术是在我们消费领域的以太网技术上发展过来的,是在物理层进行了优化以适应汽车电子要求的一种技术。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

我们常用的以太网和车载以太网主要是在物理层不同,基本架构依然是MAC+PHY芯片+传输链路。主要有100M和1G两种标准。对于100M车载以太网在PHY层主要有两个规范:BroadR-Reach和100Base-T1,两者都是明确为汽车应用设计的,并且它们之间有很多重叠。而1000Base-T1这是千兆车载以太网的物理层技术标准。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

100Base-T1最显著的特点就是使用单对差分线实现数据传输,从成本上来说降低了线束的成本和重量。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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二、技术细节

本文就介绍以相对主流的100Base-T1进行介绍。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

2.1 基本结构

基本结构分为MAC、PHY个MDI三部分。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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2.2PHY功能

PHY 芯片很多厂家都有,按照一贯的风格,我们还是以资料开放度比较高的TI生产DP83TC811R-Q1 的为例进行介绍。下图是DP83TC811R-Q1数据手册中给出的一个简单的原理图文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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2.2.1编码技术

100BASE-T1采用独特的4bit至3bit(4B3B),3bit至2三进制对(3B2T)和三级脉冲幅度调制(threelevel pulse amplitude modulation,PAM3)编码方案。这一块有点复杂,不像人话,我们来细述一番。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

假设我们使用的是MII接口,通信速率是100Mb,数据宽度是4bit,速率是25M。为了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率,PHY从MII接口收到数据后,会首先进行一个4B3B的转换,并将时钟频率提高到33.33333MHz,以保持100 Mbps的位速率。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

之后PHY要再进行3B2T的操作,将每次接收到的3个bit转化为2个三进制电平值(取值范围是-1,0,1),具体的对应关系如上图中的表所示。3个bit有8种组合(即2的三次方),两个电平值有9种组成(即3的平方),所以后者可以覆盖前者。此时时钟周期仍然是33.333M,但是每个时钟周期中的两个电平就能够表示3个 bit了,所以此时的数据速率仍然是100Mbit/s,每个电平实际上包含了1.5bit信息。3B2T的转换关系如下表文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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最后一步是PAM3,将逻辑的-1,0,1转化为在双绞线上的电压,所以,最终在总线上信号的波特率是66.666MHz,但是它实现了100Mbit/s的通信速率。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

下图是数据从MII接口到双绞线电平的转换过程。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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为了更加直观地理解三电平信号,下面给出在IDEL模式下端口上的信号波形。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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2.2.2 回声消除技术

10BASE-T和100BASE-TX有两对信号线,分别进行收和发,但是100BASE-T1是也是物理全双工接口,却允许在同一对上进行发送和接收。这个物理全双工通过叠加原理完成,100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能,并使用回声消除功能来消除其自身的发送信号并从链路伙伴中提取接收到的信息。为了做到这一点,一个PHY专门用作主机,另一个作为从机。当两个100BASE-T1 PHY连接时,它们会经过训练过程,从而使被测设备(DUT)和链路伙伴以相同的频率以相同的相位传输信息。下图说明了每个PHY内的混合和回声消除的简化框图。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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最后我们再给出DP83TC811R-Q1 的完整功能框图加深理解。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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2.3Medium Dependent Interface (MDI)

两个PHY芯片之间的连接叫媒体专用接口(MDI),它包括静电防护、共模干扰抑制、直流隔离、车载接头和双绞线几个部分。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

2.3.1共模噪声抑制

共模扼流圈(CMC)过滤MDI上的共模噪声。尽可能降低共模噪声非常重要,因为它会干扰PHY的接收器。另外,由于共模噪声是单端辐射源,因此会导致较高的辐射发射。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

下图列出了CMC必须与100BASE-T1 PHY一起使用的要求。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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2.3.2直流隔离

100BASE-TX的DC隔离通常使用变压器,其中心抽头(在PHY侧)连接到取决于PHY的DC电压。

100BASE-T1仅使用两个电容器,与带有变压器的应用相比,这两个电容器提供了直流隔离并减小了解决方案的尺寸。

2.3.3绞线

对于初期的以太网设计的传输介质是同轴电缆,同轴电缆使用了电磁屏蔽原理,即在线缆的内外两芯之间以及外芯和线皮分别纳入一层铝制的屏蔽网,从而屏蔽干扰信号,事实证明这种屏蔽效果更好,然而也更昂贵。

双绞线利用自身的特性有效降低了环路的面积,可以有效抵抗外接干扰,并且可以利用差分线的特点有效降低对外辐射。车载系统受到空间、成本和重量的限制,最终还是选择了双绞线,100BASE-T1要求双绞线阻抗为100欧姆,线束长度限制为15m,实际应用建议不要超过10m。

2.4 POE

POE,即Power Over Ethernet,是一种使用以太网接口直接进行供电的技术,可以有效减少线束成本的方案。目前看到该技术只在千兆车载以太网上应用。这里留坑先。

2.5技术优势说明

车载以太网使用回声消除技术,实现单对双绞线进行百兆数据流传输,降低线束成本和重量。使用双绞线、三电平技术有效降低对外辐射,使用电容进行直流隔离,降低PCA成本和PCB面积。

 

三、技术扩展

3.1以太网标准

首先是100Base-Tx, 在1995年由IEEE802.3释放标准;

IEEE 802.3u (100Base-T)是100兆比特每秒以太网的标准。100Base-T技术中可采用3类传输介质,即: 100Base-T4、100Base-TX和100Base-FX。其中100BASE-TX、100BASE-FX支持全双工模式。

3.1.1 100Base-Tx

100标识传输速率为100Mbit/s, base标识采用基带传输;T表示传输介质,2对5类UTP。

100BASE-TX采用的是4B/5B编码方式,即把每4位数据用5位的编码组来表示,该编码方式的码元利用率=4/5*100%=80%。然后将4B/5B编码成NRZI进行传输,使其可以125MHz的串行数据流来传送数据;

100BASE-TX采用的物理拓扑结构为星型,在目前的组网方法中,使用最多的是- 100BASE-TX标准的网卡,只支持RJ-45标准,它多用于主干网。

使用两对5类非屏蔽双绞线或1类屏蔽双绞线,一对用于发送数据,另一对用于接收数据,最大网段长度为100m,布线符合EIA568标准;100Base-TX使100Base-T中使用最广的物理层规范。

3.1.2 100Base-T1

100Base-T1是IEEE针对100Mb/s汽车以太网的规范,也可以将其称为IEEE802.3bw,这两个名称指的是相同的规范。“-T1”后缀是一个重要的区别,让您知道是指汽车以太网,它与普通100Base-T不同。

3.2车载总线网络概述

传统的车载网络主要有 LIN、CAN、FlexRay 及 MOST:

LIN 总线适合用于汽车车窗、天窗、座椅、车内照明等通信速度较低的应用场景

CAN 总线性能的同时可进一步降低网络成本,因此在现代汽车应用中通常作为 CAN 总线的补充网络。CAN 总线是一个性能稳健并久经车辆实践应用的网络,具备成本低与高可靠性特点,已成为各汽车制造商车载网络设计应用的首选网络。

FlexRay 提供两个独立信道,采用双信道冗余结构,基于时间发送报文,所有节点共享高准确时基,实现最高级别的可靠性,该总线用于满足汽车环境下独特的网络需求,支持重要的安全线控技术应用,如线控转向、线控制动等。

MOST 用于满足车载信息娱乐应用的特殊需求,内置流媒体数据信道,高数据带宽,支持多种光纤电缆布线方式,EMC 性能良好,主要应用于汽车音频、视频数据传输。

版权声明:本文为知乎「IEEE1364」的原创文章,已获作者发表许可。

四、参考资料

1.车载以太网的前景;温峥峰;知乎
2.车载以太网;佚名;博客园.
3.100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking;TI
5.车载以太网物理层;张丁;知乎
6.车载以太网系统——双绞线总结;小佛爷修罗道;知乎

7.DP83TC811R-Q1 datasheet;TI

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