基于100BASE-TX标准以太网汽车解决方案的分析

1. 简介

有线网络的应用非常广泛，横跨诸多市场领域，从家庭、办公室、企业到工业、汽车等不一而足;对其而言，以太网经历迅猛演变发展，俨然已成为其事实上的不二之选。颇具讽刺意味的是，短短四十年前，根本没人能想到以太网能取得如今的成就。

1973年，首个以太网系统面世。与大多数新技术一样，当时的它也存在不少问题。其超重型同轴电缆及分流器为，导致安装极为繁琐，可靠性差的问题则更不必说。那是 IBM 凭借价格相对低廉的个人计算机而稳坐行业头把交椅的时代，当时，这些计算机都是基于一种名为“令牌环”的替代方法实现彼此互联的。那时，以太网第一次获得了一位关键盟友，即 IEEE 802 标准化组。虽然“令牌环”本身已于 1985 年在 IEEE 802.5工作组内实现“标准化”，但IBM仍然保持着自身的许多专有“卖点”，严重阻碍了潜在竞争供应商实现完全互操作性。 IEEE 802.3以太网标准能够提供公平的竞争环境，实现了真正开放的标准化。公平竞争的结果是，大量小公司通过向市场推出基于以太网的互操作性解决方案而实现了发展壮大。1995 年，IEEE 802.3u 100BASE-T 标准面世，对通过非屏蔽双绞线连接的 100Mb/s 以太网(大量供应商都能提供)作出了规范。在那时，“令牌环”方法已逐渐失去吸引力，不仅仅在于网速不足(最大16Mb/s)，更重要的是由于成本方面的限制。该解决方案仍旧面临着硬件昂贵和持续存在的互操作性问题。

因此，“令牌环”从原本计算机网络当仁不让的继承人的高位跌下，最终沦为昨日黄花。后来的实践证明，与之相比，以太网更加经济、快速、稳健。四十年之后，标准以太网的优势丝毫未减当年。以太网能在持续保证最低成本的同时，不断发展演进、适应各种条件并可靠地满足众多市场的网络需求，这一能力与 IEEE 802.3 标准的真正开放的标准化有着直接渊源，这一点毋庸置疑。

如今，以太网凭借其提供的实时、高速车载网络，正逐步发展成为先进驾驶辅助系统 (ADAS) 和汽车信息娱乐应用的首选网络。由于汽车行业已将以太网用于汽车诊断 (ISO 13400)，标准 IEEE 802.3 以太网继续致力保证网络泛在性、最低的总拥有成本 (TCO) 和更低的网络复杂性。本文将对基于标准以太网的车载网络专有解决方案进行概述，并对其中一些多方优势进行详述。

2. 提供泛在网络

现如今，100BASE-TX 标准以太网已根据 ISO13400 规范集成在汽车中，用于车载诊断 (OBD) 和软件下载。相比基于 CAN 的传统方法，100BASE-TX 标准以太网以速度制胜，保持着一大主要优势。汽车重编程无需花费数小时，几分钟即可完成，大大降低汽车制造商的总成本。诊断应用利用现有的标准 OBDII 汽车连接器和 CAN 线缆，而非传统的网络 RJ45 和 CAT5，证明了以太网的内在灵活性。

图 1a 突出显示了现今汽车各个部位所用的多种不同的应用特定物理层总线。例如，MOST、CAN 和 LVDS。该策略的缺点在于它需要桥接多条总线，既提高了复杂性，又增加了成本。

展望未来，标准以太网必将为汽车提供单一的泛在网络。

图 1a. 当前汽车网络示例

图 1b. 以太网汽车网络示例

随着实时流媒体解决方案 AVB 以太网的出现，单一的常见物理层将能够替代传统的汽车总线。如图 1b 所示，唯有标准以太网能够提供横跨所有车载网络应用的单一泛在物理层。

汽车在这方面可谓受益颇多，不仅可以通过单一物理媒体传输多种应用，同时还能免除网关桥接的麻烦，实现了复杂性和成本的双降。

3. “发展中的”汽车以太网

新开发的车载应用倾向于使用以太网，包括先进驾驶辅助摄像机、信息娱乐和移动诊断等，例如，当汽车在行驶过程中而非在维修中心的时候。它们与 OBD 有两大区别：

a.实时应用

b.需要符合 EMI 规范(通常使用非屏蔽线缆)，从而降低线缆成本。

可靠性能

选择屏蔽线缆虽然是一种减少车内的辐射发射量的方案，但通常并不可取。屏蔽线缆会产生接地策略问题，不但会对耐用性造成负面影响，还会增加生产成本。此外，屏蔽线缆不能使用线束制造;而必须经过预制和外购。由于在车联网(如摄像机)中继续使用 LVDS 技术，此类问题的确已成为主要缺陷。我们的最终目标是使用非屏蔽线缆支持标准以太网的运行，同时严格遵守汽车 OEM EMI 规范。这将从根本上降低使用屏蔽线缆的布线成本，同时与其他标准以太网设备保持互操作性。最终结果是电缆和硅成本达到最低，且有多家供应商参与竞争。然而，由于预期的辐射发射水平，一种早期观点认为，不可能使用非屏蔽线缆支持标准以太网的运行。这便引发了对更多专有的替代性物理层解决方案的调查，这些都是待考虑用于解决上述问题的方案。其中一种是已有的 BroadR-Reach 技术，该技术由博通公司 (Broadcom) 开发，最初用于扩大 100Mbps 以太网数据在家庭内的覆盖范围。与千兆技术类似(但并非互操作)，BroadR-Reach 技术利用额外的信号处理来扩大数据的传输范围。处理和额外过滤可以降低辐射发射量。该技术最初曾被视为唯一可行的解决方案，一些早期采用汽车以太网的行业已对BroadR-Reach PHY 技术进行了评估。但是，自从开展这些早期工作以来，麦瑞和 Marvell 成功证明了标准以太网确实能够使用非屏蔽双绞线运行，且符合汽车 OEM 辐射规范。目前已实现物理层汽车网络的“圣杯”。因此，主要的原始设备制造商 (OEM) 已开始进行进一步工作，调查并资格化基于标准的以太网 PHY 层。

图 2. 标准以太网 PHY ALSE 辐射发射示例

图 3. 典型汽车以太网 PHY 收发器示意图

为说明其典型性能，图 2 和图 3 展示了符合汽车 OEM 规范的标准以太网 PHY 的示范辐射和免疫水平。根据通用汽车的《电气/电子元件电磁兼容性规范》GMW3097 所述进行测试。所用的低成本、手工线束使用 Kroschu FL9Y FlexRay 接线和 Tyco MQS 连接器，符合 GMW3173、国际标准化组织电缆选择和车辆总线数据传输的物理线束要求。

4. 为什么是标准以太网?

以太网最初在上世纪 90 年代超越当时的行业先驱“令牌环”而获得成功，这其中的原因至今未变。至于以太网为什么应该在汽车领域而非其他领域获得成功，其实也没有实质上的区别。IEEE 802.3 真正开放的标准化相对竞争提供了至关重要的多方优势，是所有成功的根本原因。

最低拥有成本是最关键的。大量市场和多个供应商形成了可以转化为较低成本硅和标准材料单的规模经济。

整体解决方案是第二大优势;以太网不仅仅是物理层。事实上，它更是一种符合 802.3az 节能以太网 (EEE) 和 802.3af.at 有源以太网 (PoE) 等互补 IEEE 规范的总体解决方案。

除了保证通过多个扩张市场实现强劲的未来路线图外，基于标准的以太网还不断发展 IEEE 规范，最重要的是促成了供应商竞争。

5. 简化的标准化 BoM

如下方图 4 所示，以太网线路图相对简单明了。主处理器通过标准的 MII(媒体独立接口) 数字接口连接到 PHY。从工业控制到消费者应用，PHY 是其他所有以太网应用中广泛使用的标准以太网 PHY 设备，这对汽车行业非常关键。它确保了大众市场容量高于并超越任何汽车特定解决方案。这样，硅成本才能减少到最低。

实践证明，以太网可靠、稳健，仅需最低标准电源滤波器即可运行。为符合标准，通常使用 100ppm 晶体或时钟源。尽管在现实中，可用硅现在可以在更广的范围内运行。通过运用成本和精度较低的晶体，汽车应用可从中获益并进一步降低成本。

图 4. 典型汽车以太网 PHY 收发器示意图

PHY 收发器是其他所有以太网应用中广泛使用的标准以太网 PHY 设备，这对汽车行业非常关键。

基于标准的汽车以太网解决方案的一个关键优势在于 PHY 收发器和磁性元件之间的线路接口上很少需要或根本不需要安装元件。这不仅简化了电路板布局，更是提高了信号的完整性。也可以使用标准以太网磁性元件。近年来，汽车级以太网磁性元件的增加实现了大幅增长。大部分主要磁性元件供应商目前已经推出或至少在产品路线图中纳入了相应的解决方案。受来自其他以太网市场规模经济的影响，成本还会继续降低。随着最近表面贴装、机绕和小尺寸解决方案的引入，汽车用磁体方面的创新可见一斑。这其中有一个全汽车级变压器，最高高度仅为 2.9mm，非常适合摄像机模组等空间受限的应用。相比传统的手绕绕组，机绕磁性元件还可提供更高的精确性。该等精确性和容差变化的减少为更强、更加统一的性能提供了支持。

标准以太网配置的最终结果是一个优化的成本较低的材料清单。与基于非标准的替代性解决方案相比，最小的外部 PHY 电路减小了 PCB 基面板的面积，大幅改进了紧凑设计。

6. 节能

100BASE-TX 以太网已经提供了当前市场上功率最低的 PHY 技术 与基于千兆技术的解决方案相比，功率和成本的降低幅度高达 30%。引入 IEEE 802.3az 节能以太网 (EEE) 支持后，能源效率还会实现进一步升级。在空闲态下(例如，不发送通信量时)，PHY 可以转换为低功率睡眠模式，这会将功耗降低超过 50%，如下方图 5 所示。

图 5

除了唤醒信号以检测耗电的远程装置(如摄像机和传感器)外，标准以太网 PHY 还能提供汽车所需的超低待机电流。100BASE-TX 降低的热耗散可以转化为更高的可靠性和燃料效率，这正是当今汽车行业所亟需的。

7. PoE 免费!

对更安全车辆的需求使得汽车开始增加最先进的驾驶辅助系统功能。基于传感器的防碰撞功能日益增多且复杂，将提供车道偏离、路标、交通灯和行人识别等服务。标准以太网被证明是极具吸引力的 ADAS 应用解决方案，可以通过低成本的非屏蔽双绞线提供高带宽数据传输。它将证明，当为该等应用部署免费的标准有源以太网 (PoE) 时，汽车市场可以比其他市场获利更多。

在汽车周围添加多个摄像机传感器必然会增加布线内容，这是汽车制造商最想避免的麻烦。位置较远的汽车传感器当然也需要沿着数据接线传输电力。于是，每个传感器均安装额外的一对接线，远程为各个设备供电。IEEE 802.3af(标准)和 IEEE 802.3at(功率增大型)指定了根据数据在同一根线缆上配电的方式。通过利用这些技术，采用标准以太网的远程传感器设备可以排除额外的电缆。如此一来，不仅节省线缆，汽车应用也会从中受益颇多，即通过优化标准 PoE 得到该稳健技术的所有好处，无需任何额外系统成本。

为了解其原因，我们首先研究一下 IEEE802.3af/at PoE 运行的基本原理，如图 6 所示。

图 6. IEEE 802.3af/at 有源以太网幻象供电法

PoE 架构包含两大要素：第一个要素是用于供应电力的供电端设备 (PSE)，第二个要素是接受电力的受电端设备 (PD)。专用的 PSE 控制器必须首先对 PD 进行检测和分类，然后再分三个阶段流程供电;

a.发现 – PSE 检查是否连接到有效且兼容的设备

b.分类 – PSE 核对 PD 所需的电力

c.运行 – 如果 1 号和 2 号条件确实有效且 PSE 可以提供充足电力，将启用 VPSE 电压 (介于 44V 到 57V 之间)。

PoE 电压 VPSE 应用于标准 100BASE-TX 以太网变压器的中心抽头。这种技术被称为“幻象供电”。电流沿着两条接线下流到 PD 端的以太网变压器中心抽头。每个绕组各承载一半电极相反的电流，因此，通过变压器的总 DC 电流实际上应该为零。这种“幻象供电”法具备一个重要优势，即抑制 PD 端变压器的普通模式噪声，但这仅适用于 100BASE-TX 以太网接口。随着普通模式的噪声散入差动以太网信号并被清除，PSE 发出的噪声或沿双绞线电缆提取的噪声将实现耦合。

如果 RX 和 TX 接线对偶然交换，PD 端需要使用桥式整流器启用整流并以极性不敏感的方式发挥作用。

PSE 的地回路路径通过其他变压器的中心抽头提供。这将转化为第二个重要好处;即 PD 和 PSE 接地的电流隔离。两端的接地电位不同时，电流隔离的作用非常重要，能够防止形成辐射接地回路。这种情况很可能对汽车意义重大。这种好处也是 2 对安装 100BASE-TX 以太网所独有的。

8. 汽车优化

如下方图 7 所示，了解在汽车应用中运用该等 IEEE PoE 方法时提供的优化非常有趣。

可以排除传统的 PSE 控制器是所发现的主要差异。由于汽车应用的 PD 端为已知且固定，因此无需经过“发现”和“分类”阶段。机头单元和后视摄像机模块之间的接口是汽车应用的典型示例。相对昂贵的 PSE 控制器可以用低成本的 DC-DC 稳压器取代。该稳压器可以在电流过载故障情况下提供关闭保护。通过为汽车选择更加适合的较低 PoE 电压 VPSE(例如，12 V，与 IEEE802.3af/at 指定的 48V 相比)，PD 端也可以选择一个成本较低的低电压 DC-DC 稳压器。从 12V PoE 运行时，每个端口仍然可以获得 6W 或更高的额定功率。当需要更多功率时，可以使用更高的 PoE 电压(或增强的额定电流磁性)。

图 7. 采用幻象供电法的优化汽车 100BASE-TX PoE

由于汽车接线也将固定，因此，PD 端也不需要普通的桥式整流器。尽管经过优化且降低了最终成本，但由于采用“幻象供电”法，汽车应用的标准以太网 PoE 仍具备其他优势。特别是 PD/PSE 接地隔离和 PD 端普通模式噪声抑制，如下方总结表所示。

表 1. 优化的汽车 100BASE-TX PoE 的好处

仔细检查图 8 所述的优化时，很明显 IEEE PoE 的所有关键好处均已获得且无需任何额外成本;没有额外的接线，使用现有的标准以太网磁性元件和现有的标准电源管理。因此，汽车市场从“PoE 免费!”的概念中获得了相当独特的价值定位。

9. 多供应商互操作性

关于任意公开标准，提供真正的互操作性解决方案的竞争供应商数量是衡量成功与否的一个关键指标。和其他许多 IEEE 标准一样，IEEE 802.3 以太网在这方面无疑是非常成功的。与由“白纸”引出的工作组定义不同，对基于标准的现有供应商技术进行逆向工程往往会产生一个重大缺陷：互操作性差。实际情况常常表明，终端用户不可能在普通网络中混合供应商设备。MOST 技术中即遇到了上述情况：尽管标准已经“公开”，但专用性仍然会造成潜在的互操作性困难，并因此阻碍了备选供应商的出现。2008 年 11 月发表的《Hansen 报告》提到：“供应商和汽车制造商希望 SMSC ‘专用’MOST 技术能够更多的降低成本，以及提高市场接受度。有些商家正在考虑采用以太网作为替代方案。” 与专有方法相比，没有可靠互操作性的公开标准未表现出任何重要优势。

过去 30 年，IEEE 802.3 以太网生态系统实现了蓬勃发展，形成了标准的设计、测试和一致性规范，产生了大量测试设备和软件解决方案，并可以使用独立的测试室，其中最突出的是新罕布什尔大学 (UNH) 的互操作性实验室 (IOL)。IOL 根据 IEEE 802.3 规范独立验证以太网设备，并进行了大量互操作性验证测试。汽车行业可以开发已经确立的以太网生态系统，从而最大程度地减少融入汽车社区所需投入的任何额外努力。目前已经采取行动，扩展现有的 UNH 以太网测试以获得低排放传输掩码定义，并扩展使用真正汽车线束的互操作性测试组。

麦瑞及竞争供应商 Marvell 已经证明，标准以太网可以提供多供应商互操作性解决方案，同时符合使用非屏蔽线缆的汽车 EMI 规范。

图 8. 采用汽车线束的多供应商汽车以太网互操作性

对于图 8 所示情况，2013 年 7 月在日本东京召开的日经汽车研讨会证明了无错互操作性。长期的无错通信量通过汽车线束传输，该线束包含几段 5 x 3 米长的使用四个内联 MQS 连接器的 的低成本非屏蔽 FlexRay 线缆。线束采用手工制造，每个连接器均配备一段最短 5cm 的非绞线，代表最低成本的线缆规格。您可前往 http://youtu.be/QhiBu38bW64 观看互操作性演示视频。进一步的互操作性测试已经验证了替代的汽车线束，长度从较短的 50mm“插线电缆”到延长的 100m 线缆不等。

10. 总结

过去的经验反复证明，任何给定技术的成功在很大程度上都取决于是否实现了完全标准化。IEEE 802.3 以太网即是在该框架内取得成功的一个完美示例：在多个竞争供应商的驱动下，提供具有超前意识和互操作性的整体解决方案。结果就是，终端用户可以利用拥有成本最低的解决方案。

真正公开的标准是竞争解决方案实际互操作性的基础，鼓励了多供应商设备的持续发展。竞争加剧导致成本降低和发展速度加快，推进形成自持生态系统。IEEE 802.3 以太网提供成熟、确定的生态系统，该生态系统经过多年精炼，毫无趋缓迹象。除了提供适应新市场(如汽车市场)的灵活性以外，以太网已经证明能够随着技术发展而不断扩大和发展，满足现有市场的新需求，提供多方优势。以太网和汽车工业的合作结盟，二者注定要共同发展，获得长期成功。

以太网何时才会在车载网络中普及?尽管业内积极采纳新技术，但引入任何技术都仍须受为期两年或更长时间的典型汽车设计周期的限制。如果没有事先调查、了解并完全相信真正的好处，主要 OEM 们不可能冒险采用新技术。2017 年及以后有望实现基于以太网的车载网络的引入。然而，我们非常确信的一个要素是，IEEE 802.3 基于标准的以太网必将为所有汽车应用——无论是诊断系统还是先进的驾驶辅助或信息娱乐系统提供更低价、更快速、更稳健的解决方案。