車載以太網物理層互操作性測試研究

姬楠 谷原野 王邵龍 孫運璽

【摘? 要】文章主要介紹車載以太網物理層互操作性測試，首先詳細描述TC8規范對車載以太網物理層互操作性測試的要求，然后分別對互操作性測試3部分的基本原理進行說明，進一步闡述測試目的、測試方法和測試要點。文章研究的目的是為車載以太網控制器的開發和測試驗證工作提供指導。

【關鍵詞】車載以太網;物理層;互操作性測試

中圖分類號：U463.62? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0078-03

Research on Interoperability Test of the Physical Layer of Automotive Ethernet

JI Nan，GU Yuanye，WANG Shaolong，SUN Yunxi

（FAW Car Co.，Ltd.，Changchun 130000，China）

【Abstract】The article mainly introduces the physical layer interoperability testing of in vehicle Ethernet. Firstly，it describes in detail the requirements of TC8 specification for physical layer interoperability testing of in vehicle Ethernet. Then，it explains the basic principles of the three parts of interoperability testing，and further elaborates on the testing purpose，methods，and key points. The purpose of this article is to provide guidance for the development and testing verification of in vehicle Ethernet controllers.

【Key words】in car Ethernet;physical layer;interoperability testing

作者簡介

姬楠（1989—），男，碩士，工程師;谷原野（1984—），男，碩士，高級工程師;王邵龍（1988—），男，碩士，高級工程師;孫運璽（1984—），男，碩士，高級工程師。研究方向均為汽車電器單系統功能測試、電氣功能測試、硬件在環測試系統的設計與應用等。

隨著車聯網技術的迅速發展，整車的智能座艙、人機交互、主動車道偏離預警系統等功能應運而生，并逐漸成為汽車發展的主流方向，傳統的CAN總線由于其傳輸速率只有1Mb/s，且主要用于控制信息的傳輸，最新的CAN-FD總線傳輸速率也只能達到5Mb/s，無法滿足車上控制器通信對高帶寬、傳輸數據種類多樣性的要求。但是，車載以太網的傳輸速率可以達到100Mb/s以上，甚至可以達到1Gb/s[1]，支持音頻、視頻等媒體數據和控制信息的傳輸，成為未來汽車電子系統發展的趨勢。然而車載以太網在實際應用中面臨著各種挑戰，抗干擾能力不足、線纜故障等問題需要不斷開展相關的研究和分析，優化控制器的設計和性能，提高車載以太網在物理層方面的穩定性和可靠性。同時，也需要制定標準化的測試規范和測試方法，以確保車載以太網控制器的互操作性。本文對車載以太網物理層互操作性（Interoperability，IOP）測試進行研究，并對測試原理進行分析，闡述測試目的、測試方法和測試要點。

1? 車載以太網及物理層概述

車載以太網的來源可以追溯到20世紀90年代初。Broadcom、NXP和Harman公司在2011年成立了OPEN聯盟，借助BMW在EMC領域的支持， Broadcom為汽車應用制定了一個基于BroadR-Reach技術的行業標準以太網規范[2]。新的車載以太網標準協議采用全雙工通信模式，使用單對雙絞線進行數據傳輸，相對于傳統的車載以太網協議，具有更高的可靠性和更低的成本。

在車載以太網中，常用的應用層協議有SOME/IP、DoIP、UDP-NM等。BroadR-Reach和100Base-Tx使用兩種不同的車載以太網協議。100Base-Tx一般稱為商用以太網，例如電腦網線等，基于IEEE標準802.3u制定;100Base-T1則專門為汽車通信使用，基于IEEE標準802.3bw開發。100Base-Tx使用2對常見的雙絞線作為傳輸介質，而100Base-T1則采用了單對雙絞線[3]，因此，100Base-T1在布線方面更為靈活。由于100Base-T1使用了特殊的時鐘恢復機制和數據編碼技術，可以有效地降低外界信號對數據傳輸的干擾，實現了全雙工的通信，比100Base-Tx更具有抗干擾能力。而100Base-Tx則需要更多的干擾過濾器和隔離器來保證傳輸品質。

車載以太網物理層架構指在車輛網絡中用于傳輸數據的硬件設備和接口之間的協議和標準。車載以太網物理層結構包括協調子層RS、介質無關接口MⅡ、物理編碼子層PCS、物理媒介附加PMA、物理媒介相關PMD、與媒介有關接口MDI。當前，BroadR-Reach技術是車載以太網中最常用的物理層標準之一，但隨著新技術和協議的涌現，車載以太網的物理層結構也將不斷演化壯大。

OPEN聯盟致力于推廣以太網技術在車輛中的應用，TC8規范提出了從物理層到應用層的各層互操作性以及常規基礎功能要求，旨在提高不同控制器之間的兼容性。TC8規范要求對以太網物理層進行全面的測試，包括信號衰減、傳輸速率、時鐘頻率、抗干擾性等多個方面，以驗證系統是否符合設計要求和產品規范。如果驗證不合格將影響傳輸速率，網絡延遲增加，增加網絡故障，進而影響車輛功能及行駛安全。為了保證車輛以太網功能可以正常實現和車輛行駛安全，整車廠需要進行嚴格的以太網物理層測試。

2? 車載以太網物理層IOP測試

車載以太網IOP測試指對車載以太網系統進行互操作性測試，雖然控制器供應商所使用的芯片都是依據IEEE802.3bw中定義的通用性和狀態制定，通過了一致性測試，但是硬件與軟件相結合的控制器需要保證符合TC8規范要求，不同控制器之間才可以正常通信。因此TC8規范要求的IOP測試可以驗證車載以太網的兼容性，提高整個系統的穩定性和可靠性，加速車載以太網技術的普及和推廣。TC8規范IOP測試部分主要對3個方面進行要求，分別為連接時間、信號品質隨信道品質的影響和線纜診斷。

2.1? 連接時間

TC8規范中IOP連接時間測試指測試設備在不同情況下建立網絡連接所需的時間。該測試項主要用于評估設備在實際使用環境下的性能，以確保設備能夠穩定地建立網絡連接，提高整個系統的穩定性。

2.1.1? 基本原理

連接時間測試部分包含3個測試項，分別為Link Partner（模擬的被測控制器的對手件）通電、DUT（被測控制器）通電和DUT喚醒。針對不同的工況展開測試：Link Partner通電測試項模擬工況為當DUT處于正常工作狀態，Link Partner由斷電狀態變為通電狀態;DUT通電測試項模擬工況為DUT由IG Off、BAT Off狀態變為通電狀態（IG On、BAT On），即模擬DUT冷啟動;DUT喚醒測試項模擬工況為DUT在睡眠模式狀態下被喚醒（IG On或CAN喚醒），即熱啟動。

TC8規范中要求Link Partner冷啟動上電、DUT冷啟動上電和DUT喚醒的時刻分別到各自完成PHY芯片配置的時間參數要有明確的定義。Link Partner的PHY芯片配置完成時間由模擬Link Partner設備決定，定義為固定值，命名為Tready。DUT的冷啟動PHY芯片配置完成時間和熱啟動PHY芯片配置完成時間由DUT的軟硬件結合實現，分別命名為Tready1和Tready2，在TC8 V1.0版本中，3項的評判標準分別為tmax<（200+Tready）ms、tmax<（200+Tready1）ms和tmax<（200+Tready2）ms，其中tmax為各項測試中實際測得的連接時間的最大值。在TC8 V2.0中對控制器的連接時間的穩定性做了更加嚴格的要求，將連接時間的最大值波動范圍進一步由200ms縮減至100ms，即判定參數進行修正改為tmax<（100+Tready）ms、tmax<（100+Tready1）ms和tmax<（100+Tready2）ms。

值得注意的是，TC8規范中未對這3個時間（Tready、Tready1、Tready2）有明確的范圍要求，可以由OEM和控制器開發商共同定義。這種方式給OEM和控制器開發商在設計上提供了更加靈活的實現方式，但是也增加了功能出錯的風險。在車輛上電時，整車控制器會同時上電工作，而由于各個控制器的熱啟動時間不同，在設計前期需要進行整車架構和功能的協調，保障不會因為某個控制器的熱啟動時間過小或者過大，引起控制器記錄節點丟失等診斷故障代碼DTC或功能降級，從而產生用戶體驗感差或車輛安全隱患。

2.1.2? 測試步驟

以DUT喚醒測試項為例，目的是確保DUT在本地睡眠模式（通過靜電流判斷）狀態下被喚醒（IG On或CAN等），DUT在規定的時間內建立連接，且不能有較大的偏差。

測試前提為DUT供電（BAT On、IG Off）穩定，DUT處于本地睡眠狀態，Link Partner處于準備建立連接狀態，觸發DUT喚醒條件（IG On或CAN喚醒等），記錄時間tstart。輪詢Link Partner狀態寄存器，直到建立連接，記錄時間tstop。計算連接時間tup=tstop-tstart。通過計算tup的均方根σt、最大值tmax和最小值tmin判斷其連接時間的穩定性，要求均方根σt<50ms，tmax<（100+Tready1），tmin>（10+Tready1）。如果DUT存在交換機，所有的通道都需要被單獨測試。

2.2? 信號品質

信號品質隨信道品質影響測試項的測試目的是檢測信號的傳輸品質、抗干擾能力，以便在發現問題時及時進行維護和修復。

2.2.1? 基本原理

信號品質表征SQI是基于總線信噪比SNR轉化而得到的，由于每個芯片廠商的算法不同，SQI值的表示方法也不同。信噪比指信號電平與噪聲電平之比，一般來說，信噪比越大，說明混在信號里的噪聲越小，否則相反。

TC8規范要求通過人工制造高斯噪聲來干擾信道品質，以太網控制器可以檢測識別到當前的信道品質。TC8 V1.0和V2.0中噪聲的注入原理存在差異。TC8 V1.0中采用在ETH_P（車載以太網線正極）和ETH_N（車載以太網線負極）之間串入電阻的方式進行噪聲注入，每個噪聲等級之間電阻為5Ω。TC8 V2.0中采用高斯噪聲發生器以串擾的方式進行噪聲注入。

除了噪聲注入原理存在差異，判斷結果也存在不同。TC8 V1.0中要求DUT與Link Partner在測試過程中的SQI需要保持一致，在SQI≤40%情況下，允許DUT連接斷開，在SQI>40%情況下，連接不能斷開。而在TC8 V2.0中要求控制器檢測到信號品質變化要與信道品質變化保持一致，即隨著高斯噪聲水平的逐步降低，DUT檢測到的SQI值單調遞增;隨著高斯噪聲水平的逐步增高，DUT檢測到的SQI值單調遞減。需要注意的是，SQI值大于DUT定義的最小值時，DUT必須處于連接狀態，且DUT不應該檢測到間歇性的連接斷開情況。

2.2.2? 測試步驟

以隨著信道品質逐漸變差的信號品質表征測試項為例，測試目的是確保DUT信號品質表征隨著通道信號品質變差而下降，DUT的信號品質表征與注入的人造噪聲水平之間存在一致性。通過差分定向耦合器制造人工噪聲來降低通信信道品質。

首先，不制造任何的人造噪聲，保證DUT和Link Partner之間的信號品質達到最佳，DUT軟件復位并重新配置PHY芯片，讀取DUT的SQI和連接狀態的參數值100次，確定并記錄讀到的最小值和最大值。

其次，將人造噪聲水平提高一個等級，即提高100mV高斯噪聲，讀取DUT的SQI和連接狀態的參數值100次，確定并記錄讀到的最小值和最大值。

然后重復以上步驟，直到PHY斷開連接后，再進一步逐級增加10個等級，并且每增加一個噪聲等級，需要讀取DUT的SQI和連接狀態100次。

最后用每個人造噪聲水平對應的SQI值繪制SQI-高斯噪聲曲線。

判斷標準為隨著高斯噪聲水平的逐步增加，DUT檢測到的SQI單調遞減（SQI值只有在控制器處于連接狀態時有效），且如果SQI值大于DUT定義的最小值，DUT必須處于連接狀態，且不應檢測到到間歇性的連接斷開情況。

2.3? 線纜診斷

TC8規范要求DUT可以檢測到1條或者2條總線的斷開，也能夠檢測到1條或者2條總線與電源正極、電源負極短路，或者2條總線之間的短路情況。

2.3.1? 基本原理

物理層線纜診斷通過時域反射計TDR實現。信號在某一傳輸路徑傳輸，當傳輸路徑中發生阻抗變化時，一部分信號會被反射，另一部分信號會繼續沿傳輸路徑傳輸。TDR通過測量反射波的電壓幅度計算出阻抗的變化，同時只要測量出反射點到信號輸出點的時間值，就可以計算出傳輸路徑中阻抗變化點的位置。

由于時域反射計是通過發出脈沖來檢測線纜狀態的，所以在進行線纜診斷時，需要將Link Partner設置為Slave模式。TC8 V2.0規范保留了遠、近端開路、短路測試項，并將總線短路到電源地的線纜診斷測試項合并到遠、近端短路測試項中。

值得注意的是，由于各家芯片的設計不同和控制器開發商軟硬件結合的差異，部分控制器只能識別到開路和短路的情況，無法識別其短路或者開路的位置。由于TC8對診斷位置未做強制要求，此部分可由OEM根據項目需要對是否檢測診斷位置做差異化定義。

2.3.2? 測試步驟

以遠、近端開路的線纜診斷測試項為例，目的是確保DUT的線纜診斷功能可以檢測到1條或2條總線的斷開，并能判斷其總線開路位置。

首先DUT處于正常工作狀態（IG On、BAT On），與Link Partner連接狀態穩定。清除DUT已檢測到的所有線纜錯誤，等待一段時間后讀取DUT檢測到的所有線纜錯誤，確保控制器在制造線纜開路錯誤前未記錄開路故障。

然后，制造一種線纜開路（ETH_P開路、ETH_N開路或2條總線開路）故障，等待線纜診斷功能能夠檢測到開路故障的時間后，取消制造的線纜故障。讀取DUT檢測到的所有線纜錯誤。

按照上述步驟依次對2條線纜單獨開路和同時開路，遠端開路和近端開路進行組合，遍歷所有開路情況。

判定條件為在制造對應的線纜錯誤后，DUT可以準確檢測并記錄相關的線纜錯誤。由于控制器的設計差異，讀取線纜故障的方式有很多種，可以通過以太網讀取，也可以通過CAN總線或者ADB（Android Debug Bridge，調試橋）串口等方式讀取線纜錯誤。

3? 結論

車載以太網的應用已經越來越廣泛，以太網的功能和相關協議更新迭代越來越快。物理層作為通信的基礎，越來越受到大家的重視，這使得汽車制造廠對架構、功能設計要考慮一致性、EMC等因素，也加速了汽車制造廠和合作單位對車載以太網物理層測試方法進行更深入的研究。

參考文獻：

[1] 尹榮彬，陳博，孔祥明. 智能網聯汽車車載以太網技術應用研究[J]. 汽車文摘，2019（11）：1-5.

[2] 李巍，張麗靜，王燕芳. 車載以太網技術及標準化[J]. 電信網技術，2016（6）：1-5.

[3] 呼布欽，秦貴和，劉穎，等. 下一代汽車網絡：車載以太網技術現狀與發展[J]. 計算機工程與應用，2016，52（24）：29-36.

（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2023-11-17