乘用车千兆以太网物理层技术预研

冯梓轩，刘晓祥，马 良，马文峰，黄金山，陶英轩，张晓光，高家君

（一汽奔腾轿车有限公司，吉林 长春 130012）

1 OSI网络结构模型

本论文是基于国际标准定义的OSI基本参考模型，该模型将通信系统分为7层，自上而下分别为应用层（第7层）、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层（第1层），每一层的目的都是为上一层提供服务。图1介绍了基于功能需求需要在以太网ECU中实现的协议，以及它们在OSI参考模型中的位置。本文旨在介绍物理层（OSI模型的第1层）。它可以适用于各类车载以太网应用，如诊断、基于服务的通信、标定、网络管理及音视频流传输。

图1 OSI网络结构模型

2 车载以太网物理层需求

物理层是OSI参考模型的最低层，它与物理硬件相连，该物理硬件用于在链路上传输原始数据位。在车载环境中，需特别关注不同部件之间的电磁兼容性。1000BAST-T1物理接口仅用于车内连接及通信，不用于连接外部测试仪或其它设备。对于有多个以太网接口的控制器（如集成式交换机），严禁某一路以太网链路上的电器故障对其余接口（如CAN、LIN、Ethernet接口）造成影响。当PHY芯片寄存器停止对读/写命令响应时，微控制器/CPU应重启该链路。应用程序及微控制器/CPU应监控GMII/RGMII/SGMII接口，当持续T（推荐5s）检测到非标准信号，微控制器/CPU应复位并初始化PHY芯片。

2.1 接口电路定义

图2介绍了1000BASE-T1接口网络的元件，这是实现物理层电路的一个示例。

图2 千兆以太网物理层电路示例

1000BASE-T1接口电路包含收发器TC、低通滤波器LPF（可选）、静电保护设备ESD_2（可选）、电源滤波器Filter（可选）、共模电感CMC、直流阻隔电容DC-Block、共模终端网络CM-Termination（可选）、静电保护设备ESD_1（可选）、ECU连接器Connector。CMC是该系统中最重要的部件之一。可选组件的使用应遵循收发器制造商的产品手册及使用指导。

PCB板内信号线及任何与其配对的MDI连接器的特征阻抗应为100Ω±10%，可以通过时域反射法测量。PCB板上1000BASE-T1信号线需设计成差分线。PCB板上1000BASE-T1信号线距离其它线缆的距离应至少是线缆宽度的3倍。理论上讲，1000BASE-T1信号线应尽可能远离其它线路。据实验观察，当距离达到2.5mm时，信号线间的影响基本消除。PCB板上信号线对的距离应该基于层压结构，根据经验，它应该小于20mil。PCB板上一对信号线的两根导线长度应一致，两根导线长度差应小于1mm。电路路径上的板厚及宽度应精心设计以保证信号线对的差分阻抗为100±10%Ω。两根信号线之间不允许放置其它组件且不允许过孔。GND平面不应置于CMC下方，建议接地平面也不要置于连接器下方。

2.2 基本需求

1000BASE-T1与100BASE-T1相比，媒体独立接口不同，物理层应提供标准千兆媒体独立接口（GMII）、简化的千兆媒体独立接口（RGMII）或串行千兆媒体独立接口（SGMII）。编码方式也不同，100BASE-T1为4B—4B/3B—3B/2T—PAM3，1000BASE-T1为8B—80B/81B—Reed-Solomon FEC—3B/2T—PAM3。1000BASE-T1的PHY芯片新增可选功能为自协商，EEE和OAM功能。

物理层应该满足车规级EMC需求。考虑器件老化和温度的影响，要求时钟频率误差≤0.01%。晶振时钟线应远离其它信号线至少20mil。链路启动时间应低于100ms，启动时间定义为：PHY从断电状态到与相应伙伴建立连接状态。当控制器处于睡眠模式时，该部件应屏蔽EMC的影响。1000BASE-T1应通过一对非屏蔽双绞线（UTP）电缆以1000Mb/s的速率传输数据包，且通信距离能力不低于15m。功率元件（＞250mA）应与以太网接口互不干扰，两者距离应大于25mm。1000BASE-T1的PHY芯片，发送数据延迟时间和接收数据延迟时间之和不能超过7168个位时间（7168ns）。发送数据时，某给定数据从进入GMII到抵达MDI的时间为发送数据延迟时间。接收数据时，某给定数据从进入MDI到流出GMII的时间为接收数据延迟时间。

2.3 主/从分配

在1000BASE-T1的传输链路上，需建立主从关系。每个物理连接只有一个主设备连接到一个从设备。终端节点的PHY一般配置为Master，交换机节点的PHY一般配置为Slave。连接到诊断接口（OBD）的边缘节点应将所有1000BASE-T1接口配置为Slave。1000BASE-T1设备可以选择使用自动协商来检测链路另一端设备支持的能力（操作模式），以此确定双方的共同能力从而对自身进行配置。当使用自协商时，链路上两个设备的主从关系在自协商阶段确定。未使用自协商时，通过设置PHY寄存器或通过硬件配置来建立两个设备的主从关系。

2.4 工作电压范围

以太网网络需保证在6.5~18V的电压范围内正常工作。当某ECU的电压范围超出上述范围时，该ECU不得发送损坏的信息。迟滞电压应至少为100mV。

2.5 PHY收发器

2.5.1 可测试性和可配置型

ECU必须能够根据需要将自身的PHY设置成Master或Slave模式。ECU必须能够根据需求将自身的PHY设置成各种测试模式。晶振时钟线在开发阶段应该能够被引出。

2.5.2 PHY错误和状态管理

ECU管理实体应能从PHY读取所有寄存器。寄存器分为IEEE协议定义的寄存器和供应商自定义的寄存器。地址范围为0~15的寄存器由IEEE定义，但芯片具体包含哪些寄存器取决于支持的功能，这也适用于供应商自定义的寄存器。供应商自定义的寄存器地址范围为16~31。

ECU管理实体应能将PHY寄存器状态发送至分析单元，ECU管理实体应能从PHY读取当前的连接状态，ECU管理实体应能判断自上次查询以来是否又出现信号线短路或开路故障，ECU管理实体应能明确自上次查询以来收到的CRC错误数，ECU管理实体应能具有读取现有MSE（Mean Square Error）或SQI（Signal Quality Index）的能力，ECU管理实体应能读取自上次查询以来link down次数，ECU管理实体应能读取自上次查询以来信号线的短路及开路次数，ECU管理实体应能判断自上次查询以来接收错误是否已在PHY上发生，ECU管理实体应能判断自上次查询以来接收错误在PHY上发生的次数，ECU管理实体应能判断自上次查询以来发送错误是否已在PHY上发生，ECU管理实体应能判断线路编码错误是否来自PHY，ECU管理实体应能判断来自于PHY的线路编码错误的数量，线路编码错误只能在接收时检测到，ECU管理实体应能判断自上次查询以来PHY接收器进入NOT OK状态的次数，ECU管理实体应能读取PHY芯片发送及接收的数据包数，ECU管理实体应能读取PHY发送字节数的能力，ECU管理实体应能读取PHY接收的字节数的能力，ECU管理实体应能在以下两种回环模式下测试PHY：分别为外部回环模式和内部回环模式。

2.5.3 睡眠/唤醒需求

目前千兆以太网PHY芯片均不支持TC10规定的芯片层级的睡眠唤醒，可以通过CAN芯片或硬线间接实现控制器以太网唤醒。

3 结束语

千兆以太网物理层作为以太网信号传输的媒介和载体，其设计的好坏直接关系到整车通信的可靠性和稳定性。本文所述千兆以太网物理层技术预研提供了指导方法和设计建议，为整车以太网通信的稳定性提供了技术保障和理论依据。