乘用車(chē)千兆以太網(wǎng)物理層技術(shù)預(yù)研

馮梓軒，劉曉祥，馬 良，馬文峰，黃金山，陶英軒，張曉光，高家君

（一汽奔騰轎車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 OSI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

本論文是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的OSI基本參考模型，該模型將通信系統(tǒng)分為7層，自上而下分別為應(yīng)用層（第7層）、表示層、會(huì)話(huà)層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層（第1層），每一層的目的都是為上一層提供服務(wù)。圖1介紹了基于功能需求需要在以太網(wǎng)ECU中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議，以及它們?cè)贠SI參考模型中的位置。本文旨在介紹物理層（OSI模型的第1層）。它可以適用于各類(lèi)車(chē)載以太網(wǎng)應(yīng)用，如診斷、基于服務(wù)的通信、標(biāo)定、網(wǎng)絡(luò)管理及音視頻流傳輸。

圖1 OSI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

2 車(chē)載以太網(wǎng)物理層需求

物理層是OSI參考模型的最低層，它與物理硬件相連，該物理硬件用于在鏈路上傳輸原始數(shù)據(jù)位。在車(chē)載環(huán)境中，需特別關(guān)注不同部件之間的電磁兼容性。1000BAST-T1物理接口僅用于車(chē)內(nèi)連接及通信，不用于連接外部測(cè)試儀或其它設(shè)備。對(duì)于有多個(gè)以太網(wǎng)接口的控制器（如集成式交換機(jī)），嚴(yán)禁某一路以太網(wǎng)鏈路上的電器故障對(duì)其余接口（如CAN、LIN、Ethernet接口）造成影響。當(dāng)PHY芯片寄存器停止對(duì)讀/寫(xiě)命令響應(yīng)時(shí)，微控制器/CPU應(yīng)重啟該鏈路。應(yīng)用程序及微控制器/CPU應(yīng)監(jiān)控GMII/RGMII/SGMII接口，當(dāng)持續(xù)T（推薦5s）檢測(cè)到非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，微控制器/CPU應(yīng)復(fù)位并初始化PHY芯片。

2.1 接口電路定義

圖2介紹了1000BASE-T1接口網(wǎng)絡(luò)的元件，這是實(shí)現(xiàn)物理層電路的一個(gè)示例。

圖2 千兆以太網(wǎng)物理層電路示例

1000BASE-T1接口電路包含收發(fā)器TC、低通濾波器LPF（可選）、靜電保護(hù)設(shè)備ESD_2（可選）、電源濾波器Filter（可選）、共模電感CMC、直流阻隔電容DC-Block、共模終端網(wǎng)絡(luò)CM-Termination（可選）、靜電保護(hù)設(shè)備ESD_1（可選）、ECU連接器Connector。CMC是該系統(tǒng)中最重要的部件之一?？蛇x組件的使用應(yīng)遵循收發(fā)器制造商的產(chǎn)品手冊(cè)及使用指導(dǎo)。

PCB板內(nèi)信號(hào)線(xiàn)及任何與其配對(duì)的MDI連接器的特征阻抗應(yīng)為100Ω±10%，可以通過(guò)時(shí)域反射法測(cè)量。PCB板上1000BASE-T1信號(hào)線(xiàn)需設(shè)計(jì)成差分線(xiàn)。PCB板上1000BASE-T1信號(hào)線(xiàn)距離其它線(xiàn)纜的距離應(yīng)至少是線(xiàn)纜寬度的3倍。理論上講，1000BASE-T1信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離其它線(xiàn)路。據(jù)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，當(dāng)距離達(dá)到2.5mm時(shí)，信號(hào)線(xiàn)間的影響基本消除。PCB板上信號(hào)線(xiàn)對(duì)的距離應(yīng)該基于層壓結(jié)構(gòu)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，它應(yīng)該小于20mil。PCB板上一對(duì)信號(hào)線(xiàn)的兩根導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)一致，兩根導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度差應(yīng)小于1mm。電路路徑上的板厚及寬度應(yīng)精心設(shè)計(jì)以保證信號(hào)線(xiàn)對(duì)的差分阻抗為100±10%Ω。兩根信號(hào)線(xiàn)之間不允許放置其它組件且不允許過(guò)孔。GND平面不應(yīng)置于CMC下方，建議接地平面也不要置于連接器下方。

2.2 基本需求

1000BASE-T1與100BASE-T1相比，媒體獨(dú)立接口不同，物理層應(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)千兆媒體獨(dú)立接口（GMII）、簡(jiǎn)化的千兆媒體獨(dú)立接口（RGMII）或串行千兆媒體獨(dú)立接口（SGMII）。編碼方式也不同，100BASE-T1為4B—4B/3B—3B/2T—PAM3，1000BASE-T1為8B—80B/81B—Reed-Solomon FEC—3B/2T—PAM3。1000BASE-T1的PHY芯片新增可選功能為自協(xié)商，EEE和OAM功能。

物理層應(yīng)該滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)EMC需求?？紤]器件老化和溫度的影響，要求時(shí)鐘頻率誤差≤0.01%。晶振時(shí)鐘線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離其它信號(hào)線(xiàn)至少20mil。鏈路啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)低于100ms，啟動(dòng)時(shí)間定義為：PHY從斷電狀態(tài)到與相應(yīng)伙伴建立連接狀態(tài)。當(dāng)控制器處于睡眠模式時(shí)，該部件應(yīng)屏蔽EMC的影響。1000BASE-T1應(yīng)通過(guò)一對(duì)非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）電纜以1000Mb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)包，且通信距離能力不低于15m。功率元件（＞250mA）應(yīng)與以太網(wǎng)接口互不干擾，兩者距離應(yīng)大于25mm。1000BASE-T1的PHY芯片，發(fā)送數(shù)據(jù)延遲時(shí)間和接收數(shù)據(jù)延遲時(shí)間之和不能超過(guò)7168個(gè)位時(shí)間（7168ns）。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，某給定數(shù)據(jù)從進(jìn)入GMII到抵達(dá)MDI的時(shí)間為發(fā)送數(shù)據(jù)延遲時(shí)間。接收數(shù)據(jù)時(shí)，某給定數(shù)據(jù)從進(jìn)入MDI到流出GMII的時(shí)間為接收數(shù)據(jù)延遲時(shí)間。

2.3 主/從分配

在1000BASE-T1的傳輸鏈路上，需建立主從關(guān)系。每個(gè)物理連接只有一個(gè)主設(shè)備連接到一個(gè)從設(shè)備。終端節(jié)點(diǎn)的PHY一般配置為Master，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的PHY一般配置為Slave。連接到診斷接口（OBD）的邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)將所有1000BASE-T1接口配置為Slave。1000BASE-T1設(shè)備可以選擇使用自動(dòng)協(xié)商來(lái)檢測(cè)鏈路另一端設(shè)備支持的能力（操作模式），以此確定雙方的共同能力從而對(duì)自身進(jìn)行配置。當(dāng)使用自協(xié)商時(shí)，鏈路上兩個(gè)設(shè)備的主從關(guān)系在自協(xié)商階段確定。未使用自協(xié)商時(shí)，通過(guò)設(shè)置PHY寄存器或通過(guò)硬件配置來(lái)建立兩個(gè)設(shè)備的主從關(guān)系。

2.4 工作電壓范圍

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)需保證在6.5~18V的電壓范圍內(nèi)正常工作。當(dāng)某ECU的電壓范圍超出上述范圍時(shí)，該ECU不得發(fā)送損壞的信息。遲滯電壓應(yīng)至少為100mV。

2.5 PHY收發(fā)器

2.5.1 可測(cè)試性和可配置型

ECU必須能夠根據(jù)需要將自身的PHY設(shè)置成Master或Slave模式。ECU必須能夠根據(jù)需求將自身的PHY設(shè)置成各種測(cè)試模式。晶振時(shí)鐘線(xiàn)在開(kāi)發(fā)階段應(yīng)該能夠被引出。

2.5.2 PHY錯(cuò)誤和狀態(tài)管理

ECU管理實(shí)體應(yīng)能從PHY讀取所有寄存器。寄存器分為IEEE協(xié)議定義的寄存器和供應(yīng)商自定義的寄存器。地址范圍為0~15的寄存器由IEEE定義，但芯片具體包含哪些寄存器取決于支持的功能，這也適用于供應(yīng)商自定義的寄存器。供應(yīng)商自定義的寄存器地址范圍為16~31。

ECU管理實(shí)體應(yīng)能將PHY寄存器狀態(tài)發(fā)送至分析單元，ECU管理實(shí)體應(yīng)能從PHY讀取當(dāng)前的連接狀態(tài)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷自上次查詢(xún)以來(lái)是否又出現(xiàn)信號(hào)線(xiàn)短路或開(kāi)路故障，ECU管理實(shí)體應(yīng)能明確自上次查詢(xún)以來(lái)收到的CRC錯(cuò)誤數(shù)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能具有讀取現(xiàn)有MSE（Mean Square Error）或SQI（Signal Quality Index）的能力，ECU管理實(shí)體應(yīng)能讀取自上次查詢(xún)以來(lái)link down次數(shù)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能讀取自上次查詢(xún)以來(lái)信號(hào)線(xiàn)的短路及開(kāi)路次數(shù)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷自上次查詢(xún)以來(lái)接收錯(cuò)誤是否已在PHY上發(fā)生，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷自上次查詢(xún)以來(lái)接收錯(cuò)誤在PHY上發(fā)生的次數(shù)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷自上次查詢(xún)以來(lái)發(fā)送錯(cuò)誤是否已在PHY上發(fā)生，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷線(xiàn)路編碼錯(cuò)誤是否來(lái)自PHY，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷來(lái)自于PHY的線(xiàn)路編碼錯(cuò)誤的數(shù)量，線(xiàn)路編碼錯(cuò)誤只能在接收時(shí)檢測(cè)到，ECU管理實(shí)體應(yīng)能判斷自上次查詢(xún)以來(lái)PHY接收器進(jìn)入NOT OK狀態(tài)的次數(shù)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能讀取PHY芯片發(fā)送及接收的數(shù)據(jù)包數(shù)，ECU管理實(shí)體應(yīng)能讀取PHY發(fā)送字節(jié)數(shù)的能力，ECU管理實(shí)體應(yīng)能讀取PHY接收的字節(jié)數(shù)的能力，ECU管理實(shí)體應(yīng)能在以下兩種回環(huán)模式下測(cè)試PHY：分別為外部回環(huán)模式和內(nèi)部回環(huán)模式。

2.5.3 睡眠/喚醒需求

目前千兆以太網(wǎng)PHY芯片均不支持TC10規(guī)定的芯片層級(jí)的睡眠喚醒，可以通過(guò)CAN芯片或硬線(xiàn)間接實(shí)現(xiàn)控制器以太網(wǎng)喚醒。

3 結(jié)束語(yǔ)

千兆以太網(wǎng)物理層作為以太網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)拿浇楹洼d體，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整車(chē)通信的可靠性和穩(wěn)定性。本文所述千兆以太網(wǎng)物理層技術(shù)預(yù)研提供了指導(dǎo)方法和設(shè)計(jì)建議，為整車(chē)以太網(wǎng)通信的穩(wěn)定性提供了技術(shù)保障和理論依據(jù)。