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汽車新熱點(diǎn)：細(xì)數(shù)T-BOX中TI的明星產(chǎn)品（進(jìn)行中）

InterfacePHY第一節(jié) DP83TC811S-Q1：車載以太網(wǎng)讓您的T-BOX如虎添翼

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汽車新熱點(diǎn)： T-BOX系統(tǒng)解決方案深度剖析（已完結(jié)）

第一節(jié)電源軌

第二節(jié)充放電管理

第三節(jié)接口

第四節(jié)緊急呼叫單元

第五節(jié)無線連接單元

第一節(jié) DP83TC811S-Q1：車載以太網(wǎng)讓您的T-BOX如虎添翼

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

本文將會(huì)從車載以太網(wǎng)100BASE-T1說起，深入剖析車載以太網(wǎng)特點(diǎn)，并且詳細(xì)介紹TI的明星產(chǎn)品DP83TC811S-Q1的優(yōu)點(diǎn)以及在T-BOX的應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)所在。

什么是車載以太網(wǎng)？---從100BASE-T1說起

以太網(wǎng)早已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)，但直到100BASE-T1的出現(xiàn)，它才被廣泛應(yīng)用于汽車應(yīng)用。雖然有些車輛也有將傳統(tǒng)的100BASE-TX應(yīng)用在車輛診斷（OBD），但由于它需要兩對(duì)雙絞線，難以符合嚴(yán)格的汽車輻射排放標(biāo)準(zhǔn)，所以100BASE-TX一直無法在汽車生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)展。而IEEE 802.3bw（又稱為100BASE-T1）就是為了滿足汽車系統(tǒng)需求而開發(fā)的，通過技術(shù)的改進(jìn)，如加入迭代、編碼以及擾亂機(jī)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(duì)非屏蔽的雙絞線即可實(shí)現(xiàn)100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。通訊距離至少可達(dá)15m，并且符合CISPR 25 Class 5輻射排放標(biāo)準(zhǔn)，也符合其他的一些汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，如Open Alliance。未來，100BASE-T1將會(huì)將車載生態(tài)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)化ECU整體的通訊體系，甚至有可能淘汰較老的或已經(jīng)不太流行的協(xié)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(gè)特點(diǎn)密不可分：

采用了特殊的編碼方式

100BASE-T1采用了獨(dú)特的4-bit到3-bit （4B3B）、3-bit到2-ternary pair（3B2T） 和三電平脈沖幅度調(diào)制（PAM3）編碼方案，從而實(shí)現(xiàn)較低的電磁干擾。在進(jìn)入單對(duì)非屏蔽雙絞線之前，100BASE-T1的PHY執(zhí)行了所有必要的加擾和編碼。100BASE-T1對(duì)MAC是透明的，現(xiàn)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(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、加擾和序列化。這些過程為PHY的模擬前端準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，然后PHY將這些數(shù)據(jù)通過單對(duì)非屏蔽雙絞線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的鏈路伙伴。

圖- 1 xMIIs

以下圖2舉例，說明從MII到MDI數(shù)據(jù)是如何轉(zhuǎn)換的。

圖- 2 從MII到MDI［10］的GPHY數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成了3-bit，如果不能被3整除就添加補(bǔ)充位，頻率增加為33.333M。（33.33M*3=100Mbps）

2T：根據(jù)表1中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將3-bit 轉(zhuǎn)換成2-ternary pair。比如010就轉(zhuǎn)成-1 1。

PAM3：通過三電平脈沖幅度調(diào)制（PAM3）編碼方案在MDI上傳輸，電平狀態(tài)有三種：-1/0/1，基頻變?yōu)?6.66MHz。

我們可以對(duì)比一下，傳統(tǒng)的100BASE-TX采用多級(jí)傳輸（MLT-3）以實(shí)現(xiàn)125MHz的數(shù)據(jù)傳輸。其使用的基頻遠(yuǎn)高于100BASE-TX1（66.66MHz），所以需要專用的帶屏蔽的雙絞線去發(fā)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(diǎn)都是汽車應(yīng)用的關(guān)鍵。

此外，采用這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)量數(shù)據(jù)所需要的帶寬。

可在單對(duì)非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)

100BASE-T1是一個(gè)物理全雙工接口，支持在同一對(duì)雙絞線上傳輸和接收，而100BASE-T和100BASE-TX則是在不同的專用對(duì)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(shí)現(xiàn)的。100BASE-T1物理系統(tǒng)已經(jīng)集成了混合系統(tǒng)，并使用回聲消除來去除自身的發(fā)射信號(hào)，并從鏈路伙伴處提取接收到的信息。為了做到這一點(diǎn)，一個(gè)PHY被專用為Master，另一個(gè)PHY為Slave。當(dāng)兩個(gè)100BASE-T1物理連接時(shí)，它們經(jīng)過一個(gè)訓(xùn)練過程，使被測(cè)設(shè)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(gè)PHY中混合和回聲消除的簡(jiǎn)化框圖。

可通過外部組件進(jìn)行調(diào)節(jié)

在PAM3信號(hào)離開或進(jìn)入板之前，有幾個(gè)外部組件可以對(duì)信號(hào)的傳輸和接收進(jìn)行調(diào)節(jié)。目的是為了隔離MDI以防止地回路和產(chǎn)生直流偏移、改進(jìn)共模噪聲濾波、并在保持高免疫的同時(shí)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?yàn)樗鼤?huì)干擾PHY的接收。此外，由于共模噪聲是單端能源，會(huì)導(dǎo)致更高的輻射排放。下表2列出了設(shè)計(jì)中使用到的共模扼流圈（CMC）必須滿足的100BASE-T1 PHY的要求。

采用更簡(jiǎn)化的直流隔離

下圖4展示的是100BASE-TX和100BASE-T1分別是如何實(shí)現(xiàn)直流隔離的。100BASE-TX PHY通常使用帶有中心抽頭（在PHY的一側(cè)）的變壓器，連接到位于PHY的直流電壓。變壓器也會(huì)使用鮑勃史密斯終端（中心抽頭，在連接器一側(cè)，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(jiǎn)單的方法，只使用兩個(gè)電容。與變壓器的方案相比，這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)。

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(jìn)與優(yōu)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(yīng)用在汽車系統(tǒng)中。其中一個(gè)最典型的應(yīng)用就是T-BOX。

助力于T-BOX的DP83TC811S-Q1

每個(gè)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)背后都有一個(gè)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?fù)纹鹆塑嚶?lián)網(wǎng)的一片天。T-BOX又稱遠(yuǎn)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(wǎng)關(guān)（各個(gè)通訊域的橋梁），進(jìn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟件/固件的無線升級(jí)（OTA）或者數(shù)據(jù)的交互傳輸，從而為人們提供極大的便利。

圖- 6 網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)框圖

為什么說100BASE-T1能夠極大地助力T-BOX的應(yīng)用呢？首先T-BOX作為汽車的核心ECU之一，其器件的選型當(dāng)然也需要滿足前面反復(fù)強(qiáng)調(diào)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(yè)的迅猛發(fā)展，T-BOX也逐步從2G、3G向4G甚至5G邁進(jìn)。一些在T-BOX 中的4G（LTE）調(diào)制解調(diào)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(tǒng)級(jí)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(zhǔn)速度，從而減少汽車系統(tǒng)更新導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。這是2Mbps的CAN FD又或者10Mbps的FlexRay無法比擬的。

TI的明星產(chǎn)品DP83TC811S-Q1是符合IEEE 802.3bw的汽車PHYTER?以太網(wǎng)物理層收發(fā)器。它提供了通過非屏蔽單對(duì)雙絞線電纜發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，并且提供xMII靈活性，其特點(diǎn)列舉如下：

符合IEEE802.3bw（100BASE-T1）標(biāo)準(zhǔn) 可在60米非屏蔽雙絞線（UTSP）上達(dá)到100Mbps的傳輸速率，并且可與其他100BASE-T1 PHY兼容。

支持多個(gè)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(xù)推出的1000BASE-T1引腳兼容

符合OPEN ALLIANCE TC8汽車以太網(wǎng)ECU測(cè)試規(guī)范

支持IEEE 1588 SFD

對(duì)EMI和EMC性能進(jìn)行了優(yōu)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(shí)時(shí)監(jiān)視工具，調(diào)試工具和測(cè)試模式列表。該工具包內(nèi)是第一個(gè)集成式靜電放電（ESD）監(jiān)視工具。它能夠計(jì)算xMII和MDI上的ESD事件，并通過使用可編程中斷來提供實(shí)時(shí)監(jiān)視。此外，DP83TC811S-Q1包括一個(gè)偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）幀生成工具，該工具與內(nèi)部環(huán)回完全兼容，無需使用MAC即可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

綜上所述，TI的100BASE-T1車載以太網(wǎng)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(yīng)用所需要的高帶寬需求，讓您的T-BOX如虎添翼！而對(duì)應(yīng)的TI器件DP83TC811S-Q1將會(huì)繼續(xù)助力包括T-BOX在內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

審核編輯：金巧