100BASE-T1以太网:汽车网络的发展

注：汽车以太网深度好文，翻译自TI（德州仪器） 汽车以太网白皮书，值得一看

随着越来越多的电子控制单元（ECU）在车辆中实施，汽车电气系统的复杂性不断增加。这些ECU在更广泛的层面上共享实时数据，从而增加了对网络带宽的需求。

为了解决带宽问题，汽车公司与领先的集成电路（IC）制造商和系统开发商合作，为汽车通信网络建立了全新的以太网标准。

电气和电子工程师协会（IEEE）802.3bw标准（也称为100BASE-T1，以前称为BroadR-Reach）是一种100 Mbps汽车以太网标准，旨在提高数据吞吐量，满足强大的汽车排放标准，并减少布线及汽车网络的重量和成本。

与传统以太网标准10BASE-T和100BASE-TX相比，100BASE-T1通过使用叠加、特定编码和加扰方案等基本原理，可降低电磁干扰（EMI），布线重量，成本以及节省空间。

多年来，汽车电气系统变得更加复杂，主要受信息娱乐系统，先进的驾驶员辅助系统（ADAS），动力传动系和车身电子设备的推动。由于当今车辆中的各种电子控制单元（ECU）之间共享大量的实时数据和固件/软件，这些系统需要更快的通信网络。

IEEE 802.3bw（100BASE-T1）是汽车公司与领先的集成电路（IC）制造商和系统开发商共同开发的新物理层（PHY）通信协议。100BASE-T1是一种可行的解决方案，可通过单对非屏蔽双绞线电缆以100 Mbps的通信速度满足更大的带宽需求。通过使用叠加，编码和加扰方案（以及一些无源组件）等技术，与传统的快速以太网（100BASE-TX）解决方案相比，100BASE-T1可降低电磁干扰（EMI），布线重量，成本和占用空间。本文的目的是进行调查

基于汽车网络中数据类型的汽车系统中100BASE-T1的可能用例，并介绍物理层如何创建符合汽车标准的网络以太网标准。

汽车以太网

尽管以太网是商业和工业应用中流行的长期通信协议，但直到100BASE-T1问世之后，它才在汽车工业中得到广泛采用。

一些车辆使用100BASE-TX作为车载诊断（OBD）扫描工具。但是，100BASE-TX无法在汽车生态系统中发展，因为它需要两根双绞线，并且不符合严格的CISPR（Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques）25 Class5发射极限值[1]。

100BASE-T1的开发是为了满足汽车系统的需求。它只需要一根单对非屏蔽双绞线，以100 Mbps的速度传输和接收数据，通信距离至少为15 m。100BASE-T1排放曲线保持不变

根据CISPR 25 Class 5 Annex G带状线方法和其他汽车排放标准，如开放联盟的TC8 [1]，[2]，[3]。

100BASE-T1将车载生态系统标准化为网络体系结构，简化ECU之间的整体通信，甚至可能消除对较旧或不太流行的协议的需求，如MOST总线或FlexRay总线。

100BASE-T1可通过单对非屏蔽双绞线电缆使用以太网协议的音频视频桥接（AVB）集合，实现车辆内音频，视频，联网汽车，固件/软件和校准数据的通信。由IEEE时间敏感网络任务组开发的AVB标准集具有低且确定性的延迟，同步节点和流量整形[1]，[4]。这些方面对于在汽车系统中传递各种类型的信息非常重要，并使100BASE-T1能够承载具有各种优先级的不同类型的数据（低数据速率和高优先级与高数据速率和低优先级，以及时间同步）。

用于音频和视频数据的以太网

与AVB配对的100BASE-T1可以传输音频和视频数据。这为信息娱乐和ADAS域中的以太网创造了机会。AVB仅为音频和视频数据指定一定量的带宽。分区的带宽量可由原始设备制造商（OEM）调整和选择。通常，为音频和视频流分配75 Mbps带宽，其余为25 Mbps用于数据流[4]。

表1显示了使用公式1基于两个通道的采样率和位深度所需的音频所需带宽：

Bit rate=Sampling rate × Bit depth × Number of channels (1)

根据表1，100BASE-T1可轻松支持44.1 kHz，48 kHz甚至96 kHz采样音频的带宽要求，每个采样的位深度高达32位。例如，典型的CD以44.1kHz采样，每个采样的位深度为16位。高分辨率音频通常以96 kHz采样，每个采样的位深度为24位。100BASE-T1链接完全支持这两者。

另一方面，视频传输需要更多带宽。表2显示了几种不同的视频格式（蓝光光碟、DVD等）带宽要求。表2还估算了不同媒体格式，分辨率和帧速率所需的视频带宽量。

根据表2中的数据，AVB的75 Mbps带宽与100BASE-T1配对应该能够处理信息娱乐域中的几个视频通道。尽管如此，在ADAS（智能驾驶辅助系统）应用中，来自摄像机的未压缩视频数据可以很容易超过1 Gbps的带宽要求[8]。除非视频在传输之前被压缩，否则100BASE-T1并不合适进行传输未压缩视频数据。此外，通过以太网传输的视频需要微控制器（MCU）来执行视频压缩并为以太网通信提供媒体访问控制（MAC）层。由于摄像机在主计算设备上提供高达数千兆位的未压缩数据，因此100BASE-T1不是正确的解决方案。但是，当在相机（例如智能备份相机）中集成MCU时，100BASE-T1是视频通信的可行选择。

车联网应用

100BASE-T1不限于AVB应用。车辆内的关键连接是远程信息处理控制单元（TCU），其控制对车辆的无线跟踪和通信。

从TCU到汽车网关的通信（将车辆中的各种通信域彼此连接起来 - 见图1）可以访问云，便于各种ECU的无线软件/固件更新。

100BASE-T1需要考虑的一个重要因素是TCU中实现的一些汽车4G长期演进（LTE）调制解调器可以在300-400 Mbps的速率运行，这就是为什么1000BASE-T1以及多千兆位解决方案是不可避免的。

固件/软件和校准数据

使用100BASE-T1以太网时，固件/软件更新和校准速度更快，减少了车辆更新的停机时间。大多数车辆都有一个100BASE-TX OBD端口，用于读取诊断数据和更新或刷新软件/固件。

通过将100BASE-T1中的各种ECU连接到带有OBD端口的中央网关，可以比使用各种通信总线的现有解决方案更快地进行更新; 控制器局域网（CAN）以1 Mbps的速度运行，CAN灵活的数据速率（CAN-FD）以大于2 Mbps的速度运行，而FlexRay的运行速率为10 Mbps [1]，[4]。100BASE-T1还可以在接近制造完成时促进ECU的校准。使用100BASE-T1以太网传输数据有助于缩短校准时间，从而缩短整体制造时间。

100BASE-T1 PHY基础知识

“汽车中的以太网”部分讨论了100BASE-T1的优势以及通常在汽车网络中传输的数据类型。下一节将从PHY的角度深入讨论100BASE-T1，阐明100BASE-T1如何满足汽车系统对低EMI，低成本，减少布线重量和更高带宽的要求。100BASE-T1采用独特的4位至3位（4B3B），3位至2位三对（3B2T）和3级脉冲幅度调制（PAM3）编码方案，与快速以太网相比，可实现更低的发射。100BASE-T1 PHY在通过单对非屏蔽双绞线传输之前执行所有必要的加扰和编码。

00BASE-T1在MAC中是透明的，因为现有的媒体独立接口（MII）没有改变。目前有100种主要的xMII用于100BASE-T1：

? MII:

- 4-bit-wide data interface

- Receive and transmit controls

- Receive and transmit clocks

? Reduced Media Independent Interface (RMII):

- 2-bit-wide data interface

- Receive and transmit controls

- Single clock reference

? Reduced Gigabit Media Independent Interface

(RGMII):

- 4-bit-wide data interface

- Receive and transmit controls

- Receive and transmit clocks

? Serial Gigabit Media Independent Interface

(SGMII):

- 2-pin low-voltage differential signaling (LVDS)

receive path

- 2-pin LVDS transmit path

图2显示了MAC和PHY的信号连接，具体取决于接口。在从MAC接收数据之后，以太网PHY对数据进行编码，加扰和串行化[5]。这些过程为PHY的模拟前端准备数据，然后将数据传输到单双非屏蔽绞线电缆上，并传输到链路伙伴。

MII/RMII/RGMII/SGMII 连接如下

例如，通过RGMII与MAC通信的100BASE-T1 PHY将接收以25 MHz（总共100 Mbps）计时的四个并行位。PHY将这四位转换为三位，并将时钟频率增加到33 1/3 MHz，以保持100 Mbps的比特率。（如果帧不能被3整除，则PHY会添加填充位以实现正确的转换。链接伙伴会在传输到MAC之前删除这些填充位。）使用每组三个比特，PHY基于表3中所示的符号映射生成三对（2T）。

最后，使用三级脉冲幅度调制（PAM3）以66 2/3 MHz基频发送三对矢量（TA，TB）。图3显示了从MII转换为Medium的数据通过PHY的从属接口（MDI）。

通过单双非屏蔽绞线发送/接收数据

100BASE-T1是物理全双工接口，可在同一对上进行发送和接收，与10BASE-T和100BASE-TX不同，后者的发送和接收位于专用对上。共享介质减少了车辆中的整体电缆重量，不仅降低了材料成本，还提高了燃料效率。物理全双工是通过叠加原理完成的。100BASE-T1 PHY集成了混合电路并使用回声消除功能来删除自己的发送信号，并从链接伙伴处提取接收到的信息。为此，一个PHY专用作主设备，另一个PHY专用于从设备。当两个100BASE-T1 PHY连接时，它们经过训练过程，导致被测设备（DUT）和链路伙伴以相同的相位以相同的频率发送信息。图4显示了PHY通信的简化框图。

DC隔离

图5显示了如何实现100BASE-TX和100BASE-T1的DC隔离。100BASE-TX PHY通常使用变压器，其中心抽头（在PHY侧）与依赖于PHY的DC电压相连。变压器也使用Bob Smith终端（中心抽头，在连接器侧，通过电阻器接地）以帮助改善CM噪声滤波[12]。

100BASE-T1采用更简单的方法，仅使用两个电容器。与带变压器的应用相比，这两个电容器提供直流隔离并减小了解决方案尺寸。图6显示了一个典型的100BASE-T1电路实现。

结论

100BASE-T1是第一个满足车辆网络需求的汽车专用以太网标准。它基于10BASE-T，100BASE-TX和1000BASE-T中汲取的经验教训，以满足严格的汽车排放要求，布线重量，成本和占地面积。有关更多信息，请参阅采用TI DP83TC811S-Q1的各种应用示例，解决方案 - 原理图，布局和BOM。原始设备制造商将不可避免地决定如何以及在何处实施100BASE-T1。

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