乘用車千兆以太網物理層技術預研

馮梓軒，劉曉祥，馬 良，馬文峰，黃金山，陶英軒，張曉光，高家君

（一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130012）

1 OSI網絡結構模型

本論文是基于國際標準定義的OSI基本參考模型，該模型將通信系統分為7層，自上而下分別為應用層（第7層）、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層（第1層），每一層的目的都是為上一層提供服務。圖1介紹了基于功能需求需要在以太網ECU中實現的協議，以及它們在OSI參考模型中的位置。本文旨在介紹物理層（OSI模型的第1層）。它可以適用于各類車載以太網應用，如診斷、基于服務的通信、標定、網絡管理及音視頻流傳輸。

圖1 OSI網絡結構模型

2 車載以太網物理層需求

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據位。在車載環境中，需特別關注不同部件之間的電磁兼容性。1000BAST-T1物理接口僅用于車內連接及通信，不用于連接外部測試儀或其它設備。對于有多個以太網接口的控制器（如集成式交換機），嚴禁某一路以太網鏈路上的電器故障對其余接口（如CAN、LIN、Ethernet接口）造成影響。當PHY芯片寄存器停止對讀/寫命令響應時，微控制器/CPU應重啟該鏈路。應用程序及微控制器/CPU應監控GMII/RGMII/SGMII接口，當持續T（推薦5s）檢測到非標準信號，微控制器/CPU應復位并初始化PHY芯片。

2.1 接口電路定義

圖2介紹了1000BASE-T1接口網絡的元件，這是實現物理層電路的一個示例。

圖2 千兆以太網物理層電路示例

1000BASE-T1接口電路包含收發器TC、低通濾波器LPF（可選）、靜電保護設備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、共模終端網絡CM-Termination（可選）、靜電保護設備ESD_1（可選）、ECU連接器Connector。CMC是該系統中最重要的部件之一。可選組件的使用應遵循收發器制造商的產品手冊及使用指導。

PCB板內信號線及任何與其配對的MDI連接器的特征阻抗應為100Ω±10%，可以通過時域反射法測量。PCB板上1000BASE-T1信號線需設計成差分線。PCB板上1000BASE-T1信號線距離其它線纜的距離應至少是線纜寬度的3倍。理論上講，1000BASE-T1信號線應盡可能遠離其它線路。據實驗觀察，當距離達到2.5mm時，信號線間的影響基本消除。PCB板上信號線對的距離應該基于層壓結構，根據經驗，它應該小于20mil。PCB板上一對信號線的兩根導線長度應一致，兩根導線長度差應小于1mm。電路路徑上的板厚及寬度應精心設計以保證信號線對的差分阻抗為100±10%Ω。兩根信號線之間不允許放置其它組件且不允許過孔。GND平面不應置于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，媒體獨立接口不同，物理層應提供標準千兆媒體獨立接口（GMII）、簡化的千兆媒體獨立接口（RGMII）或串行千兆媒體獨立接口（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商，EEE和OAM功能。

物理層應該滿足車規級EMC需求。考慮器件老化和溫度的影響，要求時鐘頻率誤差≤0.01%。晶振時鐘線應遠離其它信號線至少20mil。鏈路啟動時間應低于100ms，啟動時間定義為：PHY從斷電狀態到與相應伙伴建立連接狀態。當控制器處于睡眠模式時，該部件應屏蔽EMC的影響。1000BASE-T1應通過一對非屏蔽雙絞線（UTP）電纜以1000Mb/s的速率傳輸數據包，且通信距離能力不低于15m。功率元件（＞250mA）應與以太網接口互不干擾，兩者距離應大于25mm。1000BASE-T1的PHY芯片，發送數據延遲時間和接收數據延遲時間之和不能超過7168個位時間（7168ns）。發送數據時，某給定數據從進入GMII到抵達MDI的時間為發送數據延遲時間。接收數據時，某給定數據從進入MDI到流出GMII的時間為接收數據延遲時間。

2.3 主/從分配

在1000BASE-T1的傳輸鏈路上，需建立主從關系。每個物理連接只有一個主設備連接到一個從設備。終端節點的PHY一般配置為Master，交換機節點的PHY一般配置為Slave。連接到診斷接口（OBD）的邊緣節點應將所有1000BASE-T1接口配置為Slave。1000BASE-T1設備可以選擇使用自動協商來檢測鏈路另一端設備支持的能力（操作模式），以此確定雙方的共同能力從而對自身進行配置。當使用自協商時，鏈路上兩個設備的主從關系在自協商階段確定。未使用自協商時，通過設置PHY寄存器或通過硬件配置來建立兩個設備的主從關系。

2.4 工作電壓范圍

以太網網絡需保證在6.5~18V的電壓范圍內正常工作。當某ECU的電壓范圍超出上述范圍時，該ECU不得發送損壞的信息。遲滯電壓應至少為100mV。

2.5 PHY收發器

2.5.1 可測試性和可配置型

ECU必須能夠根據需要將自身的PHY設置成Master或Slave模式。ECU必須能夠根據需求將自身的PHY設置成各種測試模式。晶振時鐘線在開發階段應該能夠被引出。

2.5.2 PHY錯誤和狀態管理

ECU管理實體應能從PHY讀取所有寄存器。寄存器分為IEEE協議定義的寄存器和供應商自定義的寄存器。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，這也適用于供應商自定義的寄存器。供應商自定義的寄存器地址范圍為16~31。

ECU管理實體應能將PHY寄存器狀態發送至分析單元，ECU管理實體應能從PHY讀取當前的連接狀態，ECU管理實體應能判斷自上次查詢以來是否又出現信號線短路或開路故障，ECU管理實體應能明確自上次查詢以來收到的CRC錯誤數，ECU管理實體應能具有讀取現有MSE（Mean Square Error）或SQI（Signal Quality Index）的能力，ECU管理實體應能讀取自上次查詢以來link down次數，ECU管理實體應能讀取自上次查詢以來信號線的短路及開路次數，ECU管理實體應能判斷自上次查詢以來接收錯誤是否已在PHY上發生，ECU管理實體應能判斷自上次查詢以來接收錯誤在PHY上發生的次數，ECU管理實體應能判斷自上次查詢以來發送錯誤是否已在PHY上發生，ECU管理實體應能判斷線路編碼錯誤是否來自PHY，ECU管理實體應能判斷來自于PHY的線路編碼錯誤的數量，線路編碼錯誤只能在接收時檢測到，ECU管理實體應能判斷自上次查詢以來PHY接收器進入NOT OK狀態的次數，ECU管理實體應能讀取PHY芯片發送及接收的數據包數，ECU管理實體應能讀取PHY發送字節數的能力，ECU管理實體應能讀取PHY接收的字節數的能力，ECU管理實體應能在以下兩種回環模式下測試PHY：分別為外部回環模式和內部回環模式。

2.5.3 睡眠/喚醒需求

目前千兆以太網PHY芯片均不支持TC10規定的芯片層級的睡眠喚醒，可以通過CAN芯片或硬線間接實現控制器以太網喚醒。

3 結束語

千兆以太網物理層作為以太網信號傳輸的媒介和載體，其設計的好壞直接關系到整車通信的可靠性和穩定性。本文所述千兆以太網物理層技術預研提供了指導方法和設計建議，為整車以太網通信的穩定性提供了技術保障和理論依據。