列車以太網(wǎng)的物理層電路研究

吳文慧，文 發(fā)，尹 君，王賢兵，陳 冬

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著中國(guó)高鐵的飛速發(fā)展以及IEC 61375-3-4[1]、IEC 61375-2-5[2]等列車以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相繼發(fā)布，列車以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。高可靠性的車載以太網(wǎng)通信物理層電路對(duì)于保障列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，但軌道交通列車上惡劣的應(yīng)用環(huán)境容易造成丟包、通信中斷等以太網(wǎng)通信故障。目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員對(duì)列車以太網(wǎng)通信技術(shù)的研究主要集中在列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制策略[5-6]、仿真技術(shù)[7]和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)[8]等方面，而對(duì)列車以太網(wǎng)通信物理層電路的研究還很少。

以太網(wǎng)物理層電路主要包括媒體訪問控制（media access control，MAC）與物理層（physical layer，PHY）的接口、PHY芯片、防護(hù)與阻抗匹配電路以及網(wǎng)口連接器。本文在對(duì)以太網(wǎng)物理層各種芯片深入研究的基礎(chǔ)上，從PHY芯片電路設(shè)計(jì)、不同xMII接口的應(yīng)用、網(wǎng)口的EMC防護(hù)設(shè)計(jì)、M12連接器選型、PCB設(shè)計(jì)和影響物理層一致性測(cè)試的因素共6個(gè)方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套適合軌道交通車載領(lǐng)域應(yīng)用的以太網(wǎng)物理層電路。在復(fù)興號(hào)電力動(dòng)車組上的工程應(yīng)用表明，所設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)物理層電路能夠在嚴(yán)苛的EMC、振動(dòng)等應(yīng)用環(huán)境下穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

1 PHY芯片濾波與阻抗匹配

PHY芯片承擔(dān)著以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)的收發(fā)和數(shù)模轉(zhuǎn)換等重要功能。PHY芯片在發(fā)送通道上的主要作用是接收、處理MAC發(fā)送的數(shù)據(jù)并按照物理層的編碼規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號(hào)輸出到以太網(wǎng)線纜上，以實(shí)現(xiàn)CSMA/CD（多點(diǎn)接入載波監(jiān)聽/沖突檢測(cè)）的部分功能。這樣可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送：若有，則等待；否則，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后再將數(shù)據(jù)傳送出去。在接收通道上，PHY芯片接收來(lái)自以太網(wǎng)線纜的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將其傳輸給MAC。

電口PHY芯片可分成電流型和電壓型兩種。電流型PHY電路需要將網(wǎng)口變壓器的中心抽頭經(jīng)磁珠連接到1.8 V或者2.5 V等數(shù)值的VDD電壓源，如圖1所示（具體接多少伏的VDD電壓源由PHY型號(hào)確定）。磁珠對(duì)網(wǎng)口的EMC防護(hù)起到了至關(guān)重要的作用，其能夠防止干擾信號(hào)從變壓器的中心抽頭耦合到以太網(wǎng)信號(hào)上。而電壓型PHY芯片不需將網(wǎng)口變壓器的中心抽頭連接到電壓源，可以直接通過電容接到信號(hào)地上。對(duì)于以太網(wǎng)電流型PHY芯片，如果網(wǎng)口變壓器的共模線圈放置在PHY一側(cè)，則需要選擇帶有3路共模電感的脈沖變壓器；否則中心抽頭電源與差分信號(hào)線之間的共模噪聲會(huì)直接耦合到變壓器二次側(cè)，對(duì)有效信號(hào)造成干擾。如果網(wǎng)口變壓器中只有2路共模電感，則需將其放置在電纜側(cè)。而電壓型PHY芯片對(duì)網(wǎng)口變壓器的共模電感沒有嚴(yán)格要求，但是為了更好地達(dá)到干擾防護(hù)效果，共模電感需要放置在電纜側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部干擾信號(hào)在到達(dá)變壓器前就進(jìn)行過濾的目的。

圖1 電流型PHY電路設(shè)計(jì)Fig.1 Circuit design of current mode PHY

不管電流型還是電壓型的PHY芯片，在媒介專用接口MDI信號(hào)線上都需要連接由49.9 Ω電阻器和0.1 μF電容器組成的阻抗匹配電路。如果芯片內(nèi)部沒有集成匹配電阻器，如圖2所示，那么不管是發(fā)送還是接收通道都需被放置在PHY側(cè)。

圖2 PHY的阻抗匹配電路Fig.2 Resistance matching circuit of PHY

2 xMII接口

xMII（medium independent interface）是介質(zhì)獨(dú)立接口，應(yīng)用于以太網(wǎng)硬件平臺(tái)的MAC層與PHY層之間，是MAC與PHY層之間的通信通道。xMII接口類型很多，應(yīng)用較廣的類型主要是 MII、RGMII、SGMII、QSGMII等。所有的xMII接口都有一個(gè)共同的管理接口MDC/MDIO，其是MAC對(duì)PHY芯片進(jìn)行管理的通道。

2.1 管理接口MDC/MDIO

MAC對(duì)PHY芯片的初始化及相關(guān)配置皆可以通過MDC/MDIO接口實(shí)現(xiàn)。一路MDC（管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘）/MDIO（管理數(shù)據(jù)輸入輸出）接口下最多可以接32個(gè)PHY電路。當(dāng)同一路MDC/MDIO接口下掛有2個(gè)或多個(gè)PHY電路時(shí)，由于信號(hào)完整性的原因，需要在最后一個(gè)PHY芯片的最末端進(jìn)行戴維南端接（圖3），以保證在芯片采樣MDC信號(hào)上升沿時(shí)，MDIO信號(hào)能有足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間。

圖3 MDC/MDIO接口Fig.3 MDC/MDIO interface

2.2 xMII的數(shù)據(jù)接口

2.2.1 MII接口

MII接口一共有16根信號(hào)線，用于100 Mb/s和10 Mb/s以太網(wǎng)時(shí)，存在通信速率低、信號(hào)線較多的問題，導(dǎo)致PCB布線復(fù)雜且不利于功耗減小[9]。雖然該接口在新版芯片中已逐漸減少甚至不再使用，但是在以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的早期是主流的通信接口。

MII接口的發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)TX_CLK和接收時(shí)鐘信號(hào)RX_CLK則都是由PHY芯片提供，且在100 Mb/s傳輸速率下，時(shí)鐘信號(hào)頻率都是25 MHz；在10 Mb/s傳輸速率下，時(shí)鐘信號(hào)頻率則降低為2.5 MHz。

2.2.2 RGMII接口

RGMII（即Reduced gigabit MII）接口在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿都進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，如圖4所示。RGMII接口最大支持1 000 Mb/s速率，同時(shí)向下兼容100 Mb/s和10 Mb/s兩種速率。當(dāng)應(yīng)用在1 000 Mb/s速率時(shí)，RX_CLK和TX_CLK時(shí)鐘信號(hào)頻率都是125MHz；在速率為100Mb/s和10 Mb/s工況下，參考時(shí)鐘頻率分別降低為25 MHz和2.5 MHz。與MII接口不同的是，TX_CLK時(shí)鐘信號(hào)是由MAC芯片提供，而RX_CLK時(shí)鐘信號(hào)則由PHY芯片提供。

圖4 RGMII接口Fig.4 RGMII interface

RGMII接口的TX_CLK和RX_CLK信號(hào)必須做延時(shí)處理（一般延時(shí)1～2 ns），以保證數(shù)據(jù)信號(hào)能夠被正確采樣，否則會(huì)出現(xiàn)RGMII接口通信異?，F(xiàn)象。延時(shí)操作有下面3種方式：一是通過PCB走線延時(shí)；二是PHY芯片處做RX_CLK信號(hào)延時(shí)，MAC芯片做TX_CLK信號(hào)延時(shí)；三是PHY芯片既做RX_CLK信號(hào)延時(shí)也做TX_CLK信號(hào)延時(shí)。具體采用哪種方式要根據(jù)PHY和MAC芯片的型號(hào)來(lái)決定。

2.2.3 SGMII接口

SGMII（serial gigabit media independent interface）接口類似于GMII（gigabit MII）和RGMII接口，只不過GMII和RGMII都屬于并行通信，信號(hào)線比較多，尤其在網(wǎng)口數(shù)量多的情況下，PCB布線十分麻煩且不太適合背板應(yīng)用。而SGMII是串行通信，其收、發(fā)通道各有一對(duì)差分信號(hào)線，時(shí)鐘頻率為625 MHz，通過采樣時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿來(lái)實(shí)現(xiàn)1.25 Gb/s速率的數(shù)據(jù)傳輸[10]。當(dāng) MAC和 PHY之間采用 SGMII通信時(shí)，在SGMII信號(hào)的接收端需要AC耦合電容器，如圖5所示，該電容器的容值一般為0.1 μF。在PCB布局時(shí)，差分對(duì)正、負(fù)線上的電容器到PHY芯片的走線長(zhǎng)度要一致。SGMII接口同時(shí)支持10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s，在MAC和PHY內(nèi)部都有SGMII的自協(xié)商（autonegotiation）模塊，用于PHY和MAC之間傳遞控制信息，比如速率、雙工模式等。建議打開SGMII接口自協(xié)商功能，如果在強(qiáng)制模式下使用，那么兩個(gè)相連網(wǎng)口的PHY與PHY之間也需要設(shè)置成一樣的強(qiáng)制模式。

圖5 SGMII接口Fig.5 SGMII interface

2.2.4 QSGMII接口

QSGMII是將4個(gè)SGMII接口合成在一個(gè)接口中，其和SGMII一樣采用8B/10b編碼，速率是5 Gb/s，收、發(fā)通道各具備一對(duì)差分信號(hào)線。如果使用了QSGMII信號(hào)，MAC和PHY的輸入時(shí)鐘信號(hào)一般為差分時(shí)鐘，不能輸入單端時(shí)鐘。與SGMII信號(hào)一樣，QSGMII信號(hào)的接收端需要AC耦合電容器，其容值通常為0.1 μF，在PCB布局時(shí)差分對(duì)正、負(fù)線上電容器到PHY芯片的走線長(zhǎng)度要完全一致。在網(wǎng)口數(shù)量很多的情況下，QSGMII接口大大簡(jiǎn)化了PCB布線的難度，是目前多網(wǎng)口集成PHY與MAC通信接口的發(fā)展趨勢(shì)。

3 物理層電路的EMC防護(hù)

列車以太網(wǎng)需要滿足標(biāo)準(zhǔn) IEC 61000-4-2[11]、IEC 61000-4-5[12]和 IEC 61000-4-4[13]中規(guī)定的靜電、脈沖群和浪涌等相關(guān)EMC指標(biāo)。由于列車上不同控制系統(tǒng)、過分相操作等造成嚴(yán)苛EMC干擾，對(duì)以太網(wǎng)物理層電路的EMC防護(hù)提出了更高的要求。本研究中采用網(wǎng)口變壓器隔離、電容器隔離及瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）濾除差模干擾等措施來(lái)優(yōu)化物理層電路的EMC防護(hù)。

3.1 網(wǎng)口變壓器隔離

在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確指出以太網(wǎng)物理層電路中需要使用網(wǎng)口變壓器，但是為了解決電氣隔離、信號(hào)平衡、共模干擾抑制、阻抗匹配以及EMC防護(hù)等問題，在物理層電路中使用網(wǎng)口變壓器是一種普遍的做法。

網(wǎng)口變壓器主要由變比為1：1的變壓器和共模電感組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，變壓器部分需要滿足IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中提出的AC 1 500 V電壓隔離要求。

圖6 網(wǎng)口變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal structure of network port transformer

變壓器的變比精度是±2%，可實(shí)現(xiàn)無(wú)失真的以太網(wǎng)信號(hào)傳輸。網(wǎng)口變壓器內(nèi)部集成共模電感，其對(duì)電路中共模干擾具有抑制作用。對(duì)于電流型PHY來(lái)說，上述結(jié)構(gòu)的網(wǎng)口變壓器共模電感必須置于線纜側(cè)；對(duì)于電壓型PHY，變壓器的共模電感置于線纜側(cè)，相比放置在PHY側(cè)，其具有更好的EMC防護(hù)性能。

網(wǎng)口變壓器線纜側(cè)的中心抽頭需要進(jìn)行如圖7所示的Bob Smith端接，其主要作用是提供網(wǎng)口任意兩對(duì)差分信號(hào)間150 Ω的阻抗匹配。75 Ω的端接電阻器需要通過一個(gè)耐壓不低于2 000 V的1 000 pF電容器連接到保護(hù)地上，為共模干擾信號(hào)提供一個(gè)回流的路徑。

圖7 Bob Smith端接Fig.7 Bob Smith termination

影響以太網(wǎng)網(wǎng)口的瞬態(tài)事件本質(zhì)上可分為共模干擾和差模干擾。在共模浪涌期間，所有導(dǎo)體都相對(duì)于地面產(chǎn)生相同的瞬時(shí)電壓。由于所有導(dǎo)體都處于相同電位，因此電流不會(huì)從一個(gè)導(dǎo)體流到另一導(dǎo)體，而是通過設(shè)備流向接地線。如圖8所示，電流的常見路徑是通過變壓器中心抽頭和Bob Smith終端電阻經(jīng)導(dǎo)體流向接地線。

圖8 共模浪涌電流Fig.8 Common mode surge current

3.2 電容器隔離

兩個(gè)網(wǎng)口之間通信除了利用網(wǎng)口變壓器進(jìn)行隔離外，在采用CPCI背板通信以及同一塊PCB板上兩個(gè)網(wǎng)口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，兩個(gè)網(wǎng)口是共用一個(gè)信號(hào)地，且不需要通過網(wǎng)口變壓器中心抽頭提供電壓，此時(shí)可以采用電容器隔離的方式。這樣不僅可以節(jié)約物料成本，還可以節(jié)省PCB布局空間，這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在工程實(shí)踐中至關(guān)重要。

兩個(gè)網(wǎng)口不需要對(duì)外通信時(shí)，可以采用電容器替代網(wǎng)口變壓器，如圖9所示。該電容器的容值一般為1～100 nF，具體取值需要根據(jù)不同的電路和PHY芯片品牌進(jìn)行實(shí)際測(cè)試來(lái)確定，其連接關(guān)系如圖9所示。

圖9 電容器隔離Fig.9 Isolation with capacitors

電容器在電路中主要是起到AC耦合的作用，這樣，即使采用不同的共模電壓，不同PHY之間也能夠互相通信。

3.3 TVS濾除差模干擾

以太網(wǎng)端口會(huì)遭受外部瞬態(tài)事件的威脅，如靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）、浪涌（surge）等，外部TVS通常用于保護(hù)以太網(wǎng)PHY芯片，使其免受這些威脅。

出現(xiàn)在同一電纜中兩個(gè)導(dǎo)體之間的浪涌稱之為“差分浪涌”。存在差分浪涌時(shí)，如圖10所示，電流將通過變壓器流入差分對(duì)中一條線路上的以太網(wǎng)端口，并從另一條線路上的端口流出。流經(jīng)變壓器一次側(cè)繞組的瞬態(tài)電流會(huì)在二次側(cè)繞組上感應(yīng)出浪涌電流。

圖10 差分干擾路徑Fig.10 Differential interference path

在某些情況下，共模干擾可以轉(zhuǎn)換為差模干擾，如在網(wǎng)口差分對(duì)正負(fù)線的阻抗出現(xiàn)不一致的地方，共模干擾就會(huì)轉(zhuǎn)換成差模干擾。TVS能夠在電路中濾除差模干擾，防止以太網(wǎng)PHY芯片遭受EMC干擾，保障PHY芯片的正常工作。

在實(shí)際電路中，如圖11所示，TVS的位置布置有兩種選擇：第一種是靠近PHY芯片，如圖11的位置A；第二種選擇是靠近連接器M12，如圖11的位置B。將TVS放置在位置A的好處是能對(duì)PHY芯片提供最直接的保護(hù)。TVS的峰值脈沖功率通常在100 W之內(nèi)，從而可以實(shí)現(xiàn)小結(jié)電容和低箝位電壓。將TVS置于B位置的好處是在對(duì)外接口處進(jìn)行保護(hù)，盡可能將干擾在電路入口進(jìn)行消除，但是無(wú)法消除因?yàn)榫W(wǎng)口變壓器造成的差模干擾。

圖11 TVS管布置Fig.11 Layout of TVS

4 M12連接器的選型

IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了100 Mb/s電口的列車以太網(wǎng)通信規(guī)范統(tǒng)一為100BASE-TX類型。列車以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸使用超5類屏蔽雙絞線，并使用D型編碼M12圓形連接器，以保證良好的屏蔽與數(shù)據(jù)傳輸效果。

M12連接器在屏蔽上可以采用M12金屬外殼接網(wǎng)絡(luò)模塊外殼的接保護(hù)地方式。但是為了增加屏蔽連接的可靠性，還可以采用5芯的M12連接器，除了傳輸以太網(wǎng)信號(hào)的4芯外，額外增加第5芯作為接地屏蔽針，直接在電路中將M12連接器的外殼接到保護(hù)地上，保證了屏蔽連接的連續(xù)性和可靠性。

M12連接器常見的封裝形式有THT、THR和SMD。THT封裝的M12連接器在生產(chǎn)時(shí)，適合波峰焊；THR和SMD封裝的M12連接器在生產(chǎn)時(shí)，適合回流焊。在PCB布置空間很有限的情況下，THR和SMD封裝的M12連接器更有優(yōu)勢(shì)。

5 物理層信號(hào)的PCB走線

在以太網(wǎng)物理層電路的PCB設(shè)計(jì)中，很多因素會(huì)直接影響網(wǎng)口的性能和可靠性，一個(gè)完整的物理層電路如圖12所示。

圖12 以太網(wǎng)物理層電路Fig.12 Physical layer circuit for Ethernet

在進(jìn)行以太網(wǎng)網(wǎng)口PCB布置時(shí)，PHY芯片需要靠近MAC放置（距離不要超過15 cm），網(wǎng)口變壓器靠近網(wǎng)口連接器放置（距離不要超過12 cm）。TVS可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇放置在PHY側(cè)還是連接器側(cè)，或者兩個(gè)地方都同時(shí)都放置。

在MAC與PHY之間的MII和RGMII收發(fā)通道上，數(shù)據(jù)信號(hào)都需要參考各自通道的時(shí)鐘信號(hào)做等長(zhǎng)控制，且收發(fā)通道之間也需要控制長(zhǎng)度一致。SGMII和QSGMII中間需要AC耦合電容器，AC耦合電容器一般放置在接收端，且需要保證正負(fù)差分線上的電容器到PHY芯片的PCB走線距離相等。

在進(jìn)行以太網(wǎng)網(wǎng)口MDI信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，不同MDI信號(hào)差分線對(duì)之間的長(zhǎng)度差不要超過800 mil（1 mil=0.025 4 mm），同一對(duì)MDI差分線的正負(fù)線長(zhǎng)度差不要超過20 mil。MDI差分信號(hào)盡量參考地平面，而不是電源平面，且通過打過孔來(lái)?yè)Q走線層時(shí)除了需要添加回流地孔外，還要保持參考平面不變。

6 物理層的一致性測(cè)試

在通信網(wǎng)絡(luò)中，物理層接收端需要從接收數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘信息來(lái)保證同步，這就需要線路中所傳輸?shù)亩M(jìn)制碼流有足夠多的跳變，即不能有過多連續(xù)的高電平或低電平，否則無(wú)法提取時(shí)鐘信息。100BASE-TX以太網(wǎng)用的是4B/5B編碼與MLT-3編碼組合的方式，發(fā)送碼流先進(jìn)行4B/5B編碼，再進(jìn)行MLT-3編碼，最后再上線路傳輸。如圖13所示，100 Mb/s信號(hào)在經(jīng)過4B/5B編碼后會(huì)變成125 Mb/s信號(hào)，再經(jīng)過MLT-3的編碼后，信號(hào)頻率會(huì)集中在31.25 MHz。

圖13 物理層信號(hào)頻率圖Fig.13 Frequency diagram of physical layer signal

為了保證列車上基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中各設(shè)備的互聯(lián)互通，對(duì)以太網(wǎng)物理層進(jìn)行一致性測(cè)試是一種有效的手段。以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試的主要指標(biāo)包括輸出電壓幅值、信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間等[14]。

在以太網(wǎng)的物理層一致性測(cè)試中，回波損耗是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。通過測(cè)量回波損耗，可以很清楚地知道單板設(shè)計(jì)的阻抗與雙絞線的特性阻抗之間的關(guān)系，且單板被測(cè)網(wǎng)口的回波損耗越小，單板的輸入阻抗與雙絞線阻抗匹配得越好。由于這項(xiàng)指標(biāo)與很多因素有關(guān)，往往也是一致性測(cè)試中最容易出問題的地方。

回波損耗的影響因素包括：

（1）連接器的性能（如阻抗參數(shù)）；

（2）PCB走線中差分對(duì)的長(zhǎng)度、阻抗匹配和走線過程中過孔數(shù)量；

（3）網(wǎng)口變壓器的回波損耗參數(shù)；

（4）TVS管芯片的引腳寄生參數(shù)。

針對(duì)回波損耗測(cè)試不通過的情況，除了改善以上4個(gè)方面，還可以通過在網(wǎng)口差分對(duì)信號(hào)上增加匹配電阻的方式改善回波損耗性能。

7 結(jié)語(yǔ)

以太網(wǎng)在軌道交通車輛中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，研究以太網(wǎng)物理層電路對(duì)于改善列車以太網(wǎng)通信質(zhì)量、提高基于以太網(wǎng)的整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性起到了重要作用。本文研究了以太網(wǎng)物理層PHY芯片的阻抗匹配、網(wǎng)口變壓器中心抽頭的電源濾波、MAC與PHY芯片之間不同通信接口異同點(diǎn)與設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)；從物理層隔離方式和TVS使用的角度分析了以太網(wǎng)物理層防護(hù)電路的原理和設(shè)計(jì)方法；最后還研究了以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試的影響因素以及軌道交通行業(yè)所用M12連接器的使用要點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的物理層電路在軌道交通領(lǐng)域的動(dòng)車、城軌和地鐵等車輛上得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定、可靠。