10M車載以太網(wǎng)測試的研究與分析

【摘" 要】隨著汽車區(qū)域架構(gòu)的不斷演進(jìn)以及電器功能的日益豐富，將以太網(wǎng)連接拓展至終端傳感器、驅(qū)動器等部件成為必然需求，傳統(tǒng)的車載以太網(wǎng)技術(shù)已難以滿足這一要求。為充分發(fā)揮區(qū)域架構(gòu)的優(yōu)勢，支撐車輛新功能與新技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)對新挑戰(zhàn)，一種新型的車載總線技術(shù)——10M車載以太網(wǎng)應(yīng)運而生。該技術(shù)實現(xiàn)汽車以太網(wǎng)的邊緣連接，契合區(qū)域架構(gòu)與功能設(shè)計的需求。文章將對10M車載以太網(wǎng)的發(fā)展歷程、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議展開介紹，深入剖析其通信特點與應(yīng)用場景，同時著重闡述其測試方法與測試內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】以太網(wǎng)；標(biāo)準(zhǔn)；協(xié)議；架構(gòu)；物理層

中圖分類號：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）02-0107-04

Research and Analysis of 10M Vehicle Ethernet Test

LI Zhitao，GENG Weifeng

（Baoding Technology Ramp;D Branch，Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000，China）

【Abstract】With the continuous evolution of automotive regional architecture and the increasingly rich functions of electrical appliances，it is inevitable to extend Ethernet connection to terminal sensors，drivers and other components，the traditional on-board Ethernet technology has been difficult to meet this requirement. In order to give full play to the advantages of regional architecture，support the application of new vehicle functions and new technologies，and cope with new challenges，a new vehicle bus technology——10M vehicle Ethernet came into being. This technology realizes the edge connection of automotive Ethernet，which meets the needs of regional architecture and functional design. This paper will introduce the development history and standard protocols of 10M vehicle-borne Ethernet，deeply analyze its communication characteristics and application scenarios，and focus on its test methods and test content.

【Key words】ethernet；standards；agreement；structure；physical layer

0" 引言

隨著人們對美好生活的追求和汽車技術(shù)的進(jìn)步，車輛愈發(fā)復(fù)雜。大量傳感器、處理器和執(zhí)行器被部署，以提升車輛功能、安全性與效率，給汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來了與日俱增的挑戰(zhàn)。為支持自動駕駛、高清/4K視頻流和增強(qiáng)現(xiàn)實等先進(jìn)功能，系統(tǒng)需要更高帶寬、更低延遲的通信，車載網(wǎng)絡(luò)必須實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率與超低延遲，以保障快速決策和響應(yīng)。以太網(wǎng)通信帶寬較高且成本合理，成為不二之選，為讓汽車行業(yè)充分利用以太網(wǎng)優(yōu)勢，解決車輛端點通信問題，新的車載以太網(wǎng)協(xié)議10BASE-T1S由此誕生。

1" 10M以太網(wǎng)概述

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，整車智能座艙、人機(jī)交互、主動車道偏離預(yù)警系統(tǒng)等功能，正逐步成為汽車領(lǐng)域的主流發(fā)展方向[1]。這一趨勢進(jìn)一步促進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迭代，其中車載以太網(wǎng)的應(yīng)用，推動了汽車架構(gòu)向新型分區(qū)架構(gòu)的演進(jìn)與車輛的智能網(wǎng)聯(lián)化。由此帶來的高算力和高數(shù)據(jù)吞吐量問題，需要有更快的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)以降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，減少數(shù)據(jù)傳輸延時等。為了更好地適應(yīng)新E/E架構(gòu)特點，將以太網(wǎng)應(yīng)用到傳感器、執(zhí)行器等終端，并統(tǒng)一車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，已然成為新的發(fā)展趨勢。

2020年2月IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)正式公布。10BASE-T1S是在IEEE 802.3cg規(guī)范下的一種新的10Mb/s單對以太網(wǎng)物理層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其核心目標(biāo)是在多分程網(wǎng)絡(luò)上提供低成本、無沖突、確定性的且基于以太網(wǎng)的傳輸，并且傳輸速度可達(dá)10Mb/s。該技術(shù)運用獨有的物理層沖突避免技術(shù)，支持多點拓?fù)渫ㄐ?，極大提升了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，為車載網(wǎng)絡(luò)通信提供了更為靈活、經(jīng)濟(jì)高效的連接方案。與此同時，它還推動了車載區(qū)域架構(gòu)在技術(shù)層面的實現(xiàn)。車載網(wǎng)絡(luò)區(qū)域架構(gòu)如圖1所示。

10BASE-T1S的應(yīng)用，可全面替代CAN、CANFD等低速網(wǎng)絡(luò)，其主要針對傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域。在傳感器方面，涵蓋超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)，以及位置、速度、壓力、溫度傳感器等；執(zhí)行器則主要包括車輛燈光、車內(nèi)照明、后視鏡顯示、揚(yáng)聲器、車窗、天窗、水泵、雨刮以及各種電機(jī)等。

10BASE-T1S支持以太網(wǎng)進(jìn)入邊緣節(jié)點，助力終端連接應(yīng)用向以太網(wǎng)平穩(wěn)過渡，實現(xiàn)車載以太網(wǎng)通信的全面貫通。這不僅減少了網(wǎng)關(guān)的使用以及通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，還簡化了軟件與線束。通過一對線纜即可部署多種應(yīng)用，極大地簡化了區(qū)域架構(gòu)，降低了成本，且便于后續(xù)升級 。

2" 通信特點

10BASE-T1S在單對雙絞線上提供10Mb/s的通信帶寬，與當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的車載以太網(wǎng)技術(shù)（100/1000BASE-T1）相比，其不同點在于支持多點拓?fù)涞目偩€結(jié)構(gòu)，且部署靈活，具有物理層沖突避免通信機(jī)制、軟件協(xié)議棧統(tǒng)一、全帶寬利用、確定性低延遲、低成本等特點。

2.1" 總線型拓?fù)?/p>

不同于當(dāng)前車載以太網(wǎng)所采用的點對點連接以及樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，10BASE-T1S運用的是總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，所有節(jié)點均通過相同的非屏蔽雙絞線進(jìn)行連接。在總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每當(dāng)引入新節(jié)點時，僅需在該新節(jié)點上配置一個以太網(wǎng)PHY即可，無需像運用其他以太網(wǎng)技術(shù)那樣進(jìn)行關(guān)聯(lián)切換或是采用星型拓?fù)?。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總線長度可達(dá)25m，支線長度為10cm，并且能夠支持至少8個節(jié)點。其總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見圖2。

2.2" PLCA通信機(jī)制

物理層沖突避免（Physical Layer Collision Avoidance，PLCA）機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)共享網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上的無報文仲裁沖突。在總線上，各個節(jié)點均可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，以獲取數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會，若節(jié)點沒有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，便會把傳輸時機(jī)傳遞給下一個節(jié)點，這一過程類似LIN總線的循環(huán)調(diào)度機(jī)制，如此可有效利用可用帶寬，保障確定性的延遲。

10M以太網(wǎng)會為每個節(jié)點分配一個唯一的PHY ID，通過PLCA機(jī)制建立一個傳輸周期，調(diào)度總線上節(jié)點的傳輸機(jī)會，只有獲得該傳輸機(jī)會并與自身的PHY ID相匹配的節(jié)點才能被允許進(jìn)行傳輸。各個節(jié)點都被分配了一個報文發(fā)送時隙，它們按照輪循的方式發(fā)送報文，在單次周期內(nèi)，任意一個節(jié)點僅能發(fā)送一幀報文。每個發(fā)送周期從主節(jié)點開始，主節(jié)點會發(fā)送Beacon（信標(biāo)），用于指示新的發(fā)送周期拉開序幕，此后相關(guān)節(jié)點便會依序發(fā)送報文。PLCA周期循環(huán)詳見圖3。

PLCA機(jī)制在依據(jù)周期時間進(jìn)行調(diào)度之外，還存在一些允許的傳輸變型。任何節(jié)點都能夠通過預(yù)留未使用的時隙、不發(fā)送報文的方式，跳過一次傳輸機(jī)會，如此，下一節(jié)點便可利用該傳輸機(jī)會來發(fā)送報文。發(fā)送節(jié)點還可以對其時隙進(jìn)行擴(kuò)充，通過在時隙中插入一個“提交”的操作來延長時隙，以此補(bǔ)償媒體訪問控制延遲。另外，節(jié)點可以憑借高優(yōu)先級為某個消息賦予“猝發(fā)模式”。PLCA技術(shù)通過對傳輸周期進(jìn)行合理配置，并在該周期內(nèi)為每個節(jié)點分配傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會，以此避免節(jié)點之間產(chǎn)生沖突，進(jìn)而充分利用帶寬，降低通信延遲，為網(wǎng)絡(luò)通信提供高品質(zhì)的服務(wù)。

2.3" 協(xié)議棧及硬件

在設(shè)計車載以太網(wǎng)新協(xié)議時，可借助OSI模型作為框架，以此確保與現(xiàn)有協(xié)議的兼容性，從而實現(xiàn)不同物理層間的通信[2]。10M車載以太網(wǎng)可與100M/1000M以太網(wǎng)共用一套TCP/IP協(xié)議棧和應(yīng)用層協(xié)議以及QoS機(jī)制等，達(dá)成整車網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的統(tǒng)一。在硬件方面，將MAC和PHY集成到一個芯片內(nèi)，并通過SPI或其他方式與MCU通信，進(jìn)一步降低了硬件成本。

綜上，10BASE-T1S具備軟件協(xié)議高度統(tǒng)一融合、硬件技術(shù)持續(xù)成熟優(yōu)化的優(yōu)勢，憑借其獨特的通信特點以及與車輛架構(gòu)需求的契合度，勢必在未來車輛中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其更高的帶寬能夠傳遞更為豐富的數(shù)據(jù)，為車輛通信技術(shù)開拓出廣闊的發(fā)展空間，帶來無限的可能。

3" 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

以太網(wǎng)作為一種應(yīng)用極為廣泛的協(xié)議，有著標(biāo)準(zhǔn)的7層架構(gòu)。車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)與OSI參考模型相對應(yīng)，主要劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層，各層均具備各自獨特的功能。車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的具體技術(shù)架構(gòu)見圖4[3]。

車載以太網(wǎng)為了投入使用，形成一個產(chǎn)業(yè)，需要標(biāo)準(zhǔn)化。通過標(biāo)準(zhǔn)化，打通行業(yè)上下游的產(chǎn)業(yè)鏈，同時縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及后期的維護(hù)[4]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，新的IEEE汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接連出現(xiàn)，10BASE-T1S便是其中最新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議處于OSI模型的物理層，從某種程度而言，這一層也可被視作硬件層，在MCU的軟硬件系統(tǒng)里，相關(guān)功能是由PHY芯片來實現(xiàn)的。PHY芯片具備對模擬信號與數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力，在接收報文時，它能夠把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而傳遞給MCU芯片進(jìn)行處理；而在發(fā)送報文階段，它又會把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并發(fā)送至以太網(wǎng)總線上。

自2014年8月IEEE成立802.3bw標(biāo)準(zhǔn)組，開始制定基于BroadR-Reach技術(shù)規(guī)范的車載以太網(wǎng)（100BASE-T1）標(biāo)準(zhǔn)以來，以太網(wǎng)車載標(biāo)準(zhǔn)的制定和應(yīng)用得到了快速發(fā)展。其中包括5個單對雙絞線標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋10Mb/s～25Gb/s的通信速率，滿足了不同車型和應(yīng)用場景的通信需求。2020年10BASE-T1S標(biāo)準(zhǔn)公布，其目標(biāo)就是針對10Mb/s以下的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，挑戰(zhàn)CAN FD和CAN XL的地位，甚至是傳統(tǒng)CAN的地位。除IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)外，OPEN Alliance和AUTOSAR對10BASE-T1S也定義并發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)了10M車載以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件見表1。

IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了10BASE-T1S物理層（PCS、PMA、PMD）需求及相關(guān)通信要求等，OPEN Alliance和AUTOSAR組織，基于車載行業(yè)的應(yīng)用需求，制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展了睡眠/喚醒功能、拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)功能，并對EMC、PHY特性、相關(guān)接口做了細(xì)致規(guī)定。

4" 測試方案

10BASE-T1S以太網(wǎng)技術(shù)，與100M、1000M協(xié)議層兼容共用，其區(qū)別主要在于物理層，而車載以太網(wǎng)物理層位于OSI模型的最底層，定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電光信號、數(shù)據(jù)編碼、時鐘基準(zhǔn)、電路等，并通過接口與MAC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。因此，測試時重點對物理介質(zhì)連接層進(jìn)行測試。物理層測試是在ECU級別的測試，測試過程中需要用到的工具設(shè)備主要有示波器、測試夾具、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、物理層測試套件等，測試夾具連接在被測ECU和示波器之間，用于電路轉(zhuǎn)換。測試時根據(jù)測試內(nèi)容及要求的不同，分別連接不同的測試工具與調(diào)整測試夾具的連接，測試環(huán)境示意圖，見圖5。

物理介質(zhì)連接層（PMA）通過介質(zhì)相關(guān)接口（MDI）與物理介質(zhì)進(jìn)行連接，將物理編碼子層（PCS）編碼之后的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)通信功能。同時，也會接收來自其他電子控制單元（ECU）的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后再向上層傳輸。在對PMA進(jìn)行評估時，重點在于車載以太網(wǎng)的電氣特性。針對PMA測試方面，IEEE 802.3cg已經(jīng)對PMA的電氣規(guī)范與相應(yīng)測試需求做出了定義。并且，OPEN Alliance在TC14中，也在不斷完善這部分的需求與測試內(nèi)容。PMA的主要測試內(nèi)容見表2。

物理層測試目的為保證ECU接口互連互通；保證數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收符合通信標(biāo)準(zhǔn)；驗證ECU接口電氣特性的一致性；保證車載以太網(wǎng)設(shè)備與物理層協(xié)議規(guī)范的兼容性與傳輸性能；發(fā)現(xiàn)潛在的物理故障，最終確認(rèn)物理層在各種環(huán)境條件下的可靠性和穩(wěn)定性。

5" 結(jié)束語

本文對10BASE-T1S展開了較為全面的剖析，涵蓋其發(fā)展歷程、應(yīng)用場景、通信特性、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以及物理層的測試方法，為10BASE-T1S的測試工作提供了具有價值的參考。10BASE-T1S對車載以太網(wǎng)的邊緣連接進(jìn)行了優(yōu)化，有力推動了全車以太網(wǎng)通信的實現(xiàn)。其獨特的通信特點以及與上層協(xié)議的兼容復(fù)用特性，切實降低了成本與開發(fā)難度?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，10BASE-T1S必將助力車輛區(qū)域架構(gòu)在技術(shù)層面得以落地實施。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：李志濤（1983—），男，高級工程師，主要從事車載總線測試與電器功能測試工作。