第一节 DP83TC811S-Q1：车载以太网让您的T-BOX如虎添翼

近年来“车联网”概念的热度一直都居高不下。说起车联网，当然就不得不提车载以太网以及车联网的核心组成部分之一---T-BOX！

本文将会从车载以太网100BASE-T1说起，深入剖析车载以太网特点，并且详细介绍TI的明星产品DP83TC811S-Q1的优点以及在T-BOX的应用中的优势所在。

什么是车载以太网？---从100BASE-T1说起

以太网早已被广泛应用于商业和工业，但直到100BASE-T1的出现，它才被广泛应用于汽车应用。虽然有些车辆也有将传统的100BASE-TX应用在车辆诊断（OBD），但由于它需要两对双绞线，难以符合严格的汽车辐射排放标准，所以100BASE-TX一直无法在汽车生态系统中发展。而IEEE 802.3bw（又称为100BASE-T1）就是为了满足汽车系统需求而开发的，通过技术的改进，如加入迭代、编码以及扰乱机制等，使其电磁辐射性能有所改善、布线成本下降、占用空间减少，只需要采用单对非屏蔽的双绞线即可实现100Mbps的数据传输。通讯距离至少可达15m，并且符合CISPR 25 Class 5辐射排放标准，也符合其他的一些汽车排放标准，如Open Alliance。未来，100BASE-T1将会将车载生态系统标准化为网络体系结构，从而简化ECU整体的通讯体系，甚至有可能淘汰较老的或已经不太流行的协议，如FlexRay等。

为什么鱼与熊掌兼得？---剖析100BASE-T1

为什么100BASE-T1能满足汽车低电磁干扰的、低成本、低线缆重量以及高带宽等众多要求？这与100BASE-T1的以下几个特点密不可分：

采用了特殊的编码方式

100BASE-T1采用了独特的4-bit到3-bit (4B3B)、3-bit到2-ternary pair(3B2T) 和三电平脉冲幅度调制(PAM3)编码方案，从而实现较低的电磁干扰。在进入单对非屏蔽双绞线之前，100BASE-T1的PHY执行了所有必要的加扰和编码。100BASE-T1对MAC是透明的，现有的MII没有改变。目前有四种主要的xMlls 用于100BASE-T1：RGMII，MII、RMII、RGMII和SGMII。

如下图1所示，PHY接收到来自MAC的数据后，对数据进行编码、加扰和序列化。这些过程为PHY的模拟前端准备数据，然后PHY将这些数据通过单对非屏蔽双绞线传输到对应的链路伙伴。

图- 1 xMIIs

以下图2举例，说明从MII到MDI数据是如何转换的。

图- 2 从MII到MDI[10]的GPHY数据转换

• 4B Data：通过RGMII与MAC通讯的PHY接收到了4-bit，频率为25M。(25M*4=100Mbps)
• 3B Data：PHY将这4-bit转换成了3-bit，如果不能被3整除就添加补充位，频率增加为33.333M。(33.33M*3=100Mbps)
• 2T：根据表1中的对应关系，将3-bit 转换成2-ternary pair。比如010就转成-1 1。

表- 1 100BASE-T1 idle symbol mapping

• PAM3：通过三电平脉冲幅度调制（PAM3）编码方案在MDI上传输，电平状态有三种：-1/0/1，基频变为66.66MHz。

我们可以对比一下，传统的100BASE-TX采用多级传输（MLT-3）以实现125MHz的数据传输。其使用的基频远高于100BASE-TX1（66.66MHz），所以需要专用的带屏蔽的双绞线去发送与接收。而100BASE-T1带宽为33.3MHz，接近100BASE-TX带宽的一半。这意味着可以使用成本较低的线缆，却能提供更好的辐射排放和免疫能力。这两点都是汽车应用的关键。

此外，采用这种数据转换方式也使得100BASE-T1的光谱效率有所提高，可以减少传输相同数量数据所需要的带宽。

可在单对非屏蔽双绞线实现数据的收发

100BASE-T1是一个物理全双工接口，支持在同一对双绞线上传输和接收，而100BASE-T和100BASE-TX则是在不同的专用对上传输和接收。共享媒介使得100BASE-T1可以降低了车辆的整体线缆重量，不仅降低了材料成本，还提高了燃料效率。物理全双工是通过叠加原理实现的。100BASE-T1物理系统已经集成了混合系统，并使用回声消除来去除自身的发射信号，并从链路伙伴处提取接收到的信息。为了做到这一点，一个PHY被专用为Master，另一个PHY为Slave。当两个100BASE-T1物理连接时，它们经过一个训练过程，使被测设备（DUT）和链路伙伴以相同的频率、相同的相位传输信息。图3是每个PHY中混合和回声消除的简化框图。

图- 3 PHY中混合和回声消除的简化框图

可通过外部组件进行调节

在PAM3信号离开或进入板之前，有几个外部组件可以对信号的传输和接收进行调节。目的是为了隔离MDI以防止地回路和产生直流偏移、改进共模噪声滤波、并在保持高免疫的同时减少辐射排放。

尽可能减少了共模噪声

在MDI上使用共模扼流圈（CMC）过滤共模噪声。尽可能减少共模噪声极其重要，因为它会干扰PHY的接收。此外，由于共模噪声是单端能源，会导致更高的辐射排放。下表2列出了设计中使用到的共模扼流圈（CMC）必须满足的100BASE-T1 PHY的要求。

表- 2 100BASE-T1标准的VCMC参数

采用更简化的直流隔离

下图4展示的是100BASE-TX和100BASE-T1分别是如何实现直流隔离的。100BASE-TX PHY通常使用带有中心抽头（在PHY的一侧）的变压器，连接到位于PHY的直流电压。变压器也会使用鲍勃史密斯终端（中心抽头，在连接器一侧，通过电阻连接到地面），以改善共模噪声干扰。100BASE-T1则采用更简单的方法，只使用两个电容。与变压器的方案相比，这两个电容提供了直流隔离，并减少了整体尺寸。图5则是典型的100BASE-T1电路实现。

图- 4 100BASE-TX和100BASE-T1的直流隔离

图- 5 100BASE-T1 典型电路

正是由于这一系列的改进与优化使得100BASE-T1能满足汽车低电磁干扰的、低成本、低线缆重量以及高带宽等众多要求，非常适合应用在汽车系统中。其中一个最典型的应用就是T-BOX。

助力于T-BOX的DP83TC811S-Q1

每个车联网系统背后都有一个默默付出的T-BOX，虽然它不像车载娱乐大屏那样频频刷存在感，但却默默地撑起了车联网的一片天。T-BOX又称远程信息控制单元（TCU），它控制着车辆的跟踪定位以及通讯。如下图6所示，汽车上的各种ECU都可以通过车载网关（各个通讯域的桥梁），进一步与T-BOX（TCU）通讯，从而使得汽车上的各种ECU都能访问云端，进而实现软件/固件的无线升级（OTA）或者数据的交互传输，从而为人们提供极大的便利。

图- 6 网关的系统框图

为什么说100BASE-T1能够极大地助力T-BOX的应用呢？首先T-BOX作为汽车的核心ECU之一，其器件的选型当然也需要满足前面反复强调的低电磁干扰、低成本、低线缆重量等要求。不仅如此，随着通讯行业的迅猛发展，T-BOX也逐步从2G、3G向4G甚至5G迈进。一些在T-BOX 中的4G（LTE）调制解调模块可以工作在300-400Mbps，在这种高速传输速率的要求下，前面提到的满足汽车系统级要求的100BASE-T1，甚至1000BASE-T1的PHY，无疑是跟T-BOX的需求完美契合！不仅如此，使用100BASE-T1甚至1000BASE-T1，可以大大提升固件或软件的更新和校准速度，从而减少汽车系统更新导致的停机时间。这是2Mbps的CAN FD又或者10Mbps的FlexRay无法比拟的。

TI的明星产品DP83TC811S-Q1是符合IEEE 802.3bw的汽车PHYTER™以太网物理层收发器。它提供了通过非屏蔽单对双绞线电缆发送和接收数据所需的所有物理层功能，并且提供xMII灵活性，其特点列举如下：

• 符合IEEE802.3bw(100BASE-T1)标准  可在60米非屏蔽双绞线（UTSP）上达到100Mbps的传输速率，并且可与其他100BASE-T1 PHY兼容。
• 支持多个MAC接口  SGMII / RGMII / RMII / MII，注意DP83TC811S-Q1才是支持SGMII的。
• 仅需极少的外部组件  DP83TC811S-Q1集成PMD滤波器，电源滤波器，MII终端，PMD终端。仅需极少外围部件即可。
• 与后续推出的1000BASE-T1引脚兼容
• 符合OPEN ALLIANCE TC8汽车以太网ECU测试规范
• 支持IEEE 1588 SFD
• 对EMI和EMC性能进行了优化
• 低延迟（<150ns--- transmit MII）
• 超低有功功率（210mW ---RMII）

该器件还包括诊断工具套件，提供了广泛的实时监视工具，调试工具和测试模式列表。该工具包内是第一个集成式静电放电（ESD）监视工具。它能够计算xMII和MDI上的ESD事件，并通过使用可编程中断来提供实时监视。此外，DP83TC811S-Q1包括一个伪随机二进制序列（PRBS）帧生成工具，该工具与内部环回完全兼容，无需使用MAC即可发送和接收数据。

综上所述，TI的100BASE-T1车载以太网PHY满足汽车低电磁干扰的、低成本、低线缆重量等众多要求，并且完美契合汽车T-BOX（TCU）应用所需要的高带宽需求，让您的T-BOX如虎添翼！而对应的TI器件DP83TC811S-Q1将会继续助力包括T-BOX在内的车联网应用。

更多信息敬请参考以下链接：

• 数据手册：DP83TC811S-Q1 Low Power Automotive PHY 100BASE-T1 Ethernet Physical Layer Transceiver
• 评估模块与开发板：DP83TC811S 100BASE-T1 automotive Ethernet PHY xMII evaluation module
• 白皮书：100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
• 应用手册：DP83TC811 IEEE802.3bw Compliance and Debug
• 应用手册：DP83TC811 Systems and Reference Schematics
• 应用手册：DP83TC811 Diagnostic Toolkit
• 应用手册：Selection and Specification of Crystals for Texas Instruments Ethernet Devices
• 应用手册：DP83TC811 Low-Power Operation
• 应用手册：DP83TC811 Systems and Reference Schematics