?第一節 DP83TC811S-Q1：車載以太網讓您的T-BOX如虎添翼

近年來“車聯網”概念的熱度一直都居高不下。說起車聯網，當然就不得不提車載以太網以及車聯網的核心組成部分之一---T-BOX！

本文將會從車載以太網100BASE-T1說起，深入剖析車載以太網特點，并且詳細介紹TI的明星產品DP83TC811S-Q1的優點以及在T-BOX的應用中的優勢所在。

什么是車載以太網？---從100BASE-T1說起

以太網早已被廣泛應用于商業和工業，但直到100BASE-T1的出現，它才被廣泛應用于汽車應用。雖然有些車輛也有將傳統的100BASE-TX應用在車輛診斷（OBD），但由于它需要兩對雙絞線，難以符合嚴格的汽車輻射排放標準，所以100BASE-TX一直無法在汽車生態系統中發展。而IEEE 802.3bw（又稱為100BASE-T1）就是為了滿足汽車系統需求而開發的，通過技術的改進，如加入迭代、編碼以及擾亂機制等，使其電磁輻射性能有所改善、布線成本下降、占用空間減少，只需要采用單對非屏蔽的雙絞線即可實現100Mbps的數據傳輸。通訊距離至少可達15m，并且符合CISPR 25 Class 5輻射排放標準，也符合其他的一些汽車排放標準，如Open Alliance。未來，100BASE-T1將會將車載生態系統標準化為網絡體系結構，從而簡化ECU整體的通訊體系，甚至有可能淘汰較老的或已經不太流行的協議，如FlexRay等。

為什么魚與熊掌兼得？---剖析100BASE-T1

為什么100BASE-T1能滿足汽車低電磁干擾的、低成本、低線纜重量以及高帶寬等眾多要求？這與100BASE-T1的以下幾個特點密不可分：

采用了特殊的編碼方式

100BASE-T1采用了獨特的4-bit到3-bit (4B3B)、3-bit到2-ternary pair(3B2T) 和三電平脈沖幅度調制(PAM3)編碼方案，從而實現較低的電磁干擾。在進入單對非屏蔽雙絞線之前，100BASE-T1的PHY執行了所有必要的加擾和編碼。100BASE-T1對MAC是透明的，現有的MII沒有改變。目前有四種主要的xMlls 用于100BASE-T1：RGMII，MII、RMII、RGMII和SGMII。

如下圖1所示，PHY接收到來自MAC的數據后，對數據進行編碼、加擾和序列化。這些過程為PHY的模擬前端準備數據，然后PHY將這些數據通過單對非屏蔽雙絞線傳輸到對應的鏈路伙伴。

圖- 1 xMIIs

以下圖2舉例，說明從MII到MDI數據是如何轉換的。

圖- 2 從MII到MDI[10]的GPHY數據轉換

• 4B Data：通過RGMII與MAC通訊的PHY接收到了4-bit，頻率為25M。(25M*4=100Mbps)
• 3B Data：PHY將這4-bit轉換成了3-bit，如果不能被3整除就添加補充位，頻率增加為33.333M。(33.33M*3=100Mbps)
• 2T：根據表1中的對應關系，將3-bit 轉換成2-ternary pair。比如010就轉成-1 1。

表- 1 100BASE-T1 idle symbol mapping

• PAM3：通過三電平脈沖幅度調制（PAM3）編碼方案在MDI上傳輸，電平狀態有三種：-1/0/1，基頻變為66.66MHz。

我們可以對比一下，傳統的100BASE-TX采用多級傳輸（MLT-3）以實現125MHz的數據傳輸。其使用的基頻遠高于100BASE-TX1（66.66MHz），所以需要專用的帶屏蔽的雙絞線去發送與接收。而100BASE-T1帶寬為33.3MHz，接近100BASE-TX帶寬的一半。這意味著可以使用成本較低的線纜，卻能提供更好的輻射排放和免疫能力。這兩點都是汽車應用的關鍵。

此外，采用這種數據轉換方式也使得100BASE-T1的光譜效率有所提高，可以減少傳輸相同數量數據所需要的帶寬。

可在單對非屏蔽雙絞線實現數據的收發

100BASE-T1是一個物理全雙工接口，支持在同一對雙絞線上傳輸和接收，而100BASE-T和100BASE-TX則是在不同的專用對上傳輸和接收。共享媒介使得100BASE-T1可以降低了車輛的整體線纜重量，不僅降低了材料成本，還提高了燃料效率。物理全雙工是通過疊加原理實現的。100BASE-T1物理系統已經集成了混合系統，并使用回聲消除來去除自身的發射信號，并從鏈路伙伴處提取接收到的信息。為了做到這一點，一個PHY被專用為Master，另一個PHY為Slave。當兩個100BASE-T1物理連接時，它們經過一個訓練過程，使被測設備（DUT）和鏈路伙伴以相同的頻率、相同的相位傳輸信息。圖3是每個PHY中混合和回聲消除的簡化框圖。

圖- 3 PHY中混合和回聲消除的簡化框圖

可通過外部組件進行調節

在PAM3信號離開或進入板之前，有幾個外部組件可以對信號的傳輸和接收進行調節。目的是為了隔離MDI以防止地回路和產生直流偏移、改進共模噪聲濾波、并在保持高免疫的同時減少輻射排放。

盡可能減少了共模噪聲

在MDI上使用共模扼流圈（CMC）過濾共模噪聲。盡可能減少共模噪聲極其重要，因為它會干擾PHY的接收。此外，由于共模噪聲是單端能源，會導致更高的輻射排放。下表2列出了設計中使用到的共模扼流圈（CMC）必須滿足的100BASE-T1 PHY的要求。

表- 2 100BASE-T1標準的VCMC參數

采用更簡化的直流隔離

下圖4展示的是100BASE-TX和100BASE-T1分別是如何實現直流隔離的。100BASE-TX PHY通常使用帶有中心抽頭（在PHY的一側）的變壓器，連接到位于PHY的直流電壓。變壓器也會使用鮑勃史密斯終端（中心抽頭，在連接器一側，通過電阻連接到地面），以改善共模噪聲干擾。100BASE-T1則采用更簡單的方法，只使用兩個電容。與變壓器的方案相比，這兩個電容提供了直流隔離，并減少了整體尺寸。圖5則是典型的100BASE-T1電路實現。

圖- 4 100BASE-TX和100BASE-T1的直流隔離

圖- 5 100BASE-T1 典型電路

正是由于這一系列的改進與優化使得100BASE-T1能滿足汽車低電磁干擾的、低成本、低線纜重量以及高帶寬等眾多要求，非常適合應用在汽車系統中。其中一個最典型的應用就是T-BOX。

助力于T-BOX的DP83TC811S-Q1

每個車聯網系統背后都有一個默默付出的T-BOX，雖然它不像車載娛樂大屏那樣頻頻刷存在感，但卻默默地撐起了車聯網的一片天。T-BOX又稱遠程信息控制單元（TCU），它控制著車輛的跟蹤定位以及通訊。如下圖6所示，汽車上的各種ECU都可以通過車載網關（各個通訊域的橋梁），進一步與T-BOX（TCU）通訊，從而使得汽車上的各種ECU都能訪問云端，進而實現軟件/固件的無線升級（OTA）或者數據的交互傳輸，從而為人們提供極大的便利。

圖- 6 網關的系統框圖

為什么說100BASE-T1能夠極大地助力T-BOX的應用呢？首先T-BOX作為汽車的核心ECU之一，其器件的選型當然也需要滿足前面反復強調的低電磁干擾、低成本、低線纜重量等要求。不僅如此，隨著通訊行業的迅猛發展，T-BOX也逐步從2G、3G向4G甚至5G邁進。一些在T-BOX 中的4G（LTE）調制解調模塊可以工作在300-400Mbps，在這種高速傳輸速率的要求下，前面提到的滿足汽車系統級要求的100BASE-T1，甚至1000BASE-T1的PHY，無疑是跟T-BOX的需求完美契合！不僅如此，使用100BASE-T1甚至1000BASE-T1，可以大大提升固件或軟件的更新和校準速度，從而減少汽車系統更新導致的停機時間。這是2Mbps的CAN FD又或者10Mbps的FlexRay無法比擬的。

TI的明星產品DP83TC811S-Q1是符合IEEE 802.3bw的汽車PHYTER?以太網物理層收發器。它提供了通過非屏蔽單對雙絞線電纜發送和接收數據所需的所有物理層功能，并且提供xMII靈活性，其特點列舉如下：

• 符合IEEE802.3bw(100BASE-T1)標準??可在60米非屏蔽雙絞線（UTSP）上達到100Mbps的傳輸速率，并且可與其他100BASE-T1 PHY兼容。
• 支持多個MAC接口??SGMII / RGMII / RMII / MII，注意DP83TC811S-Q1才是支持SGMII的。
• 僅需極少的外部組件??DP83TC811S-Q1集成PMD濾波器，電源濾波器，MII終端，PMD終端。僅需極少外圍部件即可。
• 與后續推出的1000BASE-T1引腳兼容
• 符合OPEN ALLIANCE TC8汽車以太網ECU測試規范
• 支持IEEE 1588 SFD
• 對EMI和EMC性能進行了優化
• 低延遲（<150ns--- transmit MII）
• 超低有功功率（210mW ---RMII）

該器件還包括診斷工具套件，提供了廣泛的實時監視工具，調試工具和測試模式列表。該工具包內是第一個集成式靜電放電（ESD）監視工具。它能夠計算xMII和MDI上的ESD事件，并通過使用可編程中斷來提供實時監視。此外，DP83TC811S-Q1包括一個偽隨機二進制序列（PRBS）幀生成工具，該工具與內部環回完全兼容，無需使用MAC即可發送和接收數據。

綜上所述，TI的100BASE-T1車載以太網PHY滿足汽車低電磁干擾的、低成本、低線纜重量等眾多要求，并且完美契合汽車T-BOX（TCU）應用所需要的高帶寬需求，讓您的T-BOX如虎添翼！而對應的TI器件DP83TC811S-Q1將會繼續助力包括T-BOX在內的車聯網應用。

更多信息敬請參考以下鏈接：

• 數據手冊：DP83TC811S-Q1 Low Power Automotive PHY 100BASE-T1 Ethernet Physical Layer Transceiver
• 評估模塊與開發板：DP83TC811S 100BASE-T1 automotive Ethernet PHY xMII evaluation module
• 白皮書：100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
• 應用手冊：DP83TC811 IEEE802.3bw Compliance and Debug
• 應用手冊：DP83TC811 Systems and Reference Schematics
• 應用手冊：DP83TC811 Diagnostic Toolkit
• 應用手冊：Selection and Specification of Crystals for Texas Instruments Ethernet Devices
• 應用手冊：DP83TC811 Low-Power Operation
• 應用手冊：DP83TC811 Systems and Reference Schematics