1. 簡介

有線網絡的應用非常廣泛，橫跨諸多市場領域，從家庭、辦公室、企業到工業、汽車等不一而足;對其而言，以太網經歷迅猛演變發展，儼然已成為其事實上的不二之選。頗具諷刺意味的是，短短四十年前，根本沒人能想到以太網能取得如今的成就。

1973年，首個以太網系統面世。與大多數新技術一樣，當時的它也存在不少問題。其超重型同軸電纜及分流器為，導致安裝極為繁瑣，可靠性差的問題則更不必說。那是 IBM 憑借價格相對低廉的個人計算機而穩坐行業頭把交椅的時代，當時，這些計算機都是基于一種名為“令牌環”的替代方法實現彼此互聯的。那時，以太網第一次獲得了一位關鍵盟友，即 IEEE 802 標準化組。雖然“令牌環”本身已于 1985 年在 IEEE 802.5工作組內實現“標準化”，但IBM仍然保持著自身的許多專有“賣點”，嚴重阻礙了潛在競爭供應商實現完全互操作性。 IEEE 802.3以太網標準能夠提供公平的競爭環境，實現了真正開放的標準化。公平競爭的結果是，大量小公司通過向市場推出基于以太網的互操作性解決方案而實現了發展壯大。1995 年，IEEE 802.3u 100BASE-T 標準面世，對通過非屏蔽雙絞線連接的 100Mb/s 以太網(大量供應商都能提供)作出了規范。在那時，“令牌環”方法已逐漸失去吸引力，不僅僅在于網速不足(最大16Mb/s)，更重要的是由于成本方面的限制。該解決方案仍舊面臨著硬件昂貴和持續存在的互操作性問題。

因此，“令牌環”從原本計算機網絡當仁不讓的繼承人的高位跌下，最終淪為昨日黃花。后來的實踐證明，與之相比，以太網更加經濟、快速、穩健。四十年之后，標準以太網的優勢絲毫未減當年。以太網能在持續保證最低成本的同時，不斷發展演進、適應各種條件并可靠地滿足眾多市場的網絡需求，這一能力與 IEEE 802.3 標準的真正開放的標準化有著直接淵源，這一點毋庸置疑。

如今，以太網憑借其提供的實時、高速車載網絡，正逐步發展成為先進駕駛輔助系統 (ADAS) 和汽車信息娛樂應用的首選網絡。由于汽車行業已將以太網用于汽車診斷 (ISO 13400)，標準 IEEE 802.3 以太網繼續致力保證網絡泛在性、最低的總擁有成本 (TCO) 和更低的網絡復雜性。本文將對基于標準以太網的車載網絡專有解決方案進行概述，并對其中一些多方優勢進行詳述。

2. 提供泛在網絡

現如今，100BASE-TX 標準以太網已根據 ISO13400 規范集成在汽車中，用于車載診斷 (OBD) 和軟件下載。相比基于 CAN 的傳統方法，100BASE-TX 標準以太網以速度制勝，保持著一大主要優勢。汽車重編程無需花費數小時，幾分鐘即可完成，大大降低汽車制造商的總成本。診斷應用利用現有的標準 OBDII 汽車連接器和 CAN 線纜，而非傳統的網絡 RJ45 和 CAT5，證明了以太網的內在靈活性。

圖 1a 突出顯示了現今汽車各個部位所用的多種不同的應用特定物理層總線。例如，MOST、CAN 和 LVDS。該策略的缺點在于它需要橋接多條總線，既提高了復雜性，又增加了成本。

展望未來，標準以太網必將為汽車提供單一的泛在網絡。

圖 1a. 當前汽車網絡示例

圖 1b. 以太網汽車網絡示例

隨著實時流媒體解決方案 AVB 以太網的出現，單一的常見物理層將能夠替代傳統的汽車總線。如圖 1b 所示，唯有標準以太網能夠提供橫跨所有車載網絡應用的單一泛在物理層。

汽車在這方面可謂受益頗多，不僅可以通過單一物理媒體傳輸多種應用，同時還能免除網關橋接的麻煩，實現了復雜性和成本的雙降。

3. “發展中的”汽車以太網

新開發的車載應用傾向于使用以太網，包括先進駕駛輔助攝像機、信息娛樂和移動診斷等，例如，當汽車在行駛過程中而非在維修中心的時候。它們與 OBD 有兩大區別：

1.實時應用

2.需要符合 EMI 規范(通常使用非屏蔽線纜)，從而降低線纜成本。

可靠性能

選擇屏蔽線纜雖然是一種減少車內的輻射發射量的方案，但通常并不可取。屏蔽線纜會產生接地策略問題，不但會對耐用性造成負面影響，還會增加生產成本。此外，屏蔽線纜不能使用線束制造;而必須經過預制和外購。由于在車聯網(如攝像機)中繼續使用 LVDS 技術，此類問題的確已成為主要缺陷。我們的最終目標是使用非屏蔽線纜支持標準以太網的運行，同時嚴格遵守汽車 OEM EMI 規范。這將從根本上降低使用屏蔽線纜的布線成本，同時與其他標準以太網設備保持互操作性。最終結果是電纜和硅成本達到最低，且有多家供應商參與競爭。然而，由于預期的輻射發射水平，一種早期觀點認為，不可能使用非屏蔽線纜支持標準以太網的運行。這便引發了對更多專有的替代性物理層解決方案的調查，這些都是待考慮用于解決上述問題的方案。其中一種是已有的 BroadR-Reach 技術，該技術由博通公司 (Broadcom) 開發，最初用于擴大 100Mbps 以太網數據在家庭內的覆蓋范圍。與千兆技術類似(但并非互操作)，BroadR-Reach 技術利用額外的信號處理來擴大數據的傳輸范圍。處理和額外過濾可以降低輻射發射量。該技術最初曾被視為唯一可行的解決方案，一些早期采用汽車以太網的行業已對BroadR-Reach PHY 技術進行了評估。但是，自從開展這些早期工作以來，麥瑞和 Marvell 成功證明了標準以太網確實能夠使用非屏蔽雙絞線運行，且符合汽車 OEM 輻射規范。目前已實現物理層汽車網絡的“圣杯”。因此，主要的原始設備制造商 (OEM) 已開始進行進一步工作，調查并資格化基于標準的以太網 PHY 層。

圖 2. 標準以太網 PHY ALSE 輻射發射示例

圖 3. 典型汽車以太網 PHY 收發器示意圖

為說明其典型性能，圖 2 和圖 3 展示了符合汽車 OEM 規范的標準以太網 PHY 的示范輻射和免疫水平。根據通用汽車的《電氣/電子元件電磁兼容性規范》GMW3097 所述進行測試。所用的低成本、手工線束使用 Kroschu FL9Y FlexRay 接線和 Tyco MQS 連接器，符合 GMW3173、國際標準化組織電纜選擇和車輛總線數據傳輸的物理線束要求。

4. 為什么是標準以太網?

以太網最初在上世紀 90 年代超越當時的行業先驅“令牌環”而獲得成功，這其中的原因至今未變。至于以太網為什么應該在汽車領域而非其他領域獲得成功，其實也沒有實質上的區別。IEEE 802.3 真正開放的標準化相對競爭提供了至關重要的多方優勢，是所有成功的根本原因。

最低擁有成本是最關鍵的。大量市場和多個供應商形成了可以轉化為較低成本硅和標準材料單的規模經濟。

整體解決方案是第二大優勢;以太網不僅僅是物理層。事實上，它更是一種符合 802.3az 節能以太網 (EEE) 和 802.3af.at 有源以太網 (PoE) 等互補 IEEE 規范的總體解決方案。

除了保證通過多個擴張市場實現強勁的未來路線圖外，基于標準的以太網還不斷發展 IEEE 規范，最重要的是促成了供應商競爭。

5. 簡化的標準化 BoM

如下方圖 4 所示，以太網線路圖相對簡單明了。主處理器通過標準的 MII(媒體獨立接口) 數字接口連接到 PHY。從工業控制到消費者應用，PHY 是其他所有以太網應用中廣泛使用的標準以太網 PHY 設備，這對汽車行業非常關鍵。它確保了大眾市場容量高于并超越任何汽車特定解決方案。這樣，硅成本才能減少到最低。

實踐證明，以太網可靠、穩健，僅需最低標準電源濾波器即可運行。為符合標準，通常使用 100ppm 晶體或時鐘源。盡管在現實中，可用硅現在可以在更廣的范圍內運行。通過運用成本和精度較低的晶體，汽車應用可從中獲益并進一步降低成本。

圖 4. 典型汽車以太網 PHY 收發器示意圖

PHY 收發器是其他所有以太網應用中廣泛使用的標準以太網 PHY 設備，這對汽車行業非常關鍵。

基于標準的汽車以太網解決方案的一個關鍵優勢在于 PHY 收發器和磁性元件之間的線路接口上很少需要或根本不需要安裝元件。這不僅簡化了電路板布局，更是提高了信號的完整性。也可以使用標準以太網磁性元件。近年來，汽車級以太網磁性元件的增加實現了大幅增長。大部分主要磁性元件供應商目前已經推出或至少在產品路線圖中納入了相應的解決方案。受來自其他以太網市場規模經濟的影響，成本還會繼續降低。隨著最近表面貼裝、機繞和小尺寸解決方案的引入，汽車用磁體方面的創新可見一斑。這其中有一個全汽車級變壓器，最高高度僅為 2.9mm，非常適合攝像機模組等空間受限的應用。相比傳統的手繞繞組，機繞磁性元件還可提供更高的精確性。該等精確性和容差變化的減少為更強、更加統一的性能提供了支持。

標準以太網配置的最終結果是一個優化的成本較低的材料清單。與基于非標準的替代性解決方案相比，最小的外部 PHY 電路減小了 PCB 基面板的面積，大幅改進了緊湊設計。

6. 節能

100BASE-TX 以太網已經提供了當前市場上功率最低的 PHY 技術 與基于千兆技術的解決方案相比，功率和成本的降低幅度高達 30%。引入 IEEE 802.3az 節能以太網 (EEE) 支持后，能源效率還會實現進一步升級。在空閑態下(例如，不發送通信量時)，PHY 可以轉換為低功率睡眠模式，這會將功耗降低超過 50%，如下方圖 5 所示。

圖 5

除了喚醒信號以檢測耗電的遠程裝置(如攝像機和傳感器)外，標準以太網 PHY 還能提供汽車所需的超低待機電流。100BASE-TX 降低的熱耗散可以轉化為更高的可靠性和燃料效率，這正是當今汽車行業所亟需的。

7. PoE 免費!

對更安全車輛的需求使得汽車開始增加最先進的駕駛輔助系統功能。基于傳感器的防碰撞功能日益增多且復雜，將提供車道偏離、路標、交通燈和行人識別等服務。標準以太網被證明是極具吸引力的 ADAS 應用解決方案，可以通過低成本的非屏蔽雙絞線提供高帶寬數據傳輸。它將證明，當為該等應用部署免費的標準有源以太網 (PoE) 時，汽車市場可以比其他市場獲利更多。

在汽車周圍添加多個攝像機傳感器必然會增加布線內容，這是汽車制造商最想避免的麻煩。位置較遠的汽車傳感器當然也需要沿著數據接線傳輸電力。于是，每個傳感器均安裝額外的一對接線，遠程為各個設備供電。IEEE 802.3af(標準)和 IEEE 802.3at(功率增大型)指定了根據數據在同一根線纜上配電的方式。通過利用這些技術，采用標準以太網的遠程傳感器設備可以排除額外的電纜。如此一來，不僅節省線纜，汽車應用也會從中受益頗多，即通過優化標準 PoE 得到該穩健技術的所有好處，無需任何額外系統成本。

為了解其原因，我們首先研究一下 IEEE802.3af/at PoE 運行的基本原理，如圖 6 所示。

圖 6. IEEE 802.3af/at 有源以太網幻象供電法

PoE 架構包含兩大要素：第一個要素是用于供應電力的供電端設備 (PSE)，第二個要素是接受電力的受電端設備 (PD)。專用的 PSE 控制器必須首先對 PD 進行檢測和分類，然后再分三個階段流程供電;

1.發現 – PSE 檢查是否連接到有效且兼容的設備

2.分類 – PSE 核對 PD 所需的電力

3.運行 – 如果 1 號和 2 號條件確實有效且 PSE 可以提供充足電力，將啟用 VPSE 電壓 (介于 44V 到 57V 之間)。

PoE 電壓 VPSE 應用于標準 100BASE-TX 以太網變壓器的中心抽頭。這種技術被稱為“幻象供電”。電流沿著兩條接線下流到 PD 端的以太網變壓器中心抽頭。每個繞組各承載一半電極相反的電流，因此，通過變壓器的總 DC 電流實際上應該為零。這種“幻象供電”法具備一個重要優勢，即抑制 PD 端變壓器的普通模式噪聲，但這僅適用于 100BASE-TX 以太網接口。隨著普通模式的噪聲散入差動以太網信號并被清除，PSE 發出的噪聲或沿雙絞線電纜提取的噪聲將實現耦合。

如果 RX 和 TX 接線對偶然交換，PD 端需要使用橋式整流器啟用整流并以極性不敏感的方式發揮作用。

PSE 的地回路路徑通過其他變壓器的中心抽頭提供。這將轉化為第二個重要好處;即 PD 和 PSE 接地的電流隔離。兩端的接地電位不同時，電流隔離的作用非常重要，能夠防止形成輻射接地回路。這種情況很可能對汽車意義重大。這種好處也是 2 對安裝 100BASE-TX 以太網所獨有的。

8. 汽車優化

如下方圖 7 所示，了解在汽車應用中運用該等 IEEE PoE 方法時提供的優化非常有趣。

可以排除傳統的 PSE 控制器是所發現的主要差異。由于汽車應用的 PD 端為已知且固定，因此無需經過“發現”和“分類”階段。機頭單元和后視攝像機模塊之間的接口是汽車應用的典型示例。相對昂貴的 PSE 控制器可以用低成本的 DC-DC 穩壓器取代。該穩壓器可以在電流過載故障情況下提供關閉保護。通過為汽車選擇更加適合的較低 PoE 電壓 VPSE(例如，12 V，與 IEEE802.3af/at 指定的 48V 相比)，PD 端也可以選擇一個成本較低的低電壓 DC-DC 穩壓器。從 12V PoE 運行時，每個端口仍然可以獲得 6W 或更高的額定功率。當需要更多功率時，可以使用更高的 PoE 電壓(或增強的額定電流磁性)。

圖 7. 采用幻象供電法的優化汽車 100BASE-TX PoE

由于汽車接線也將固定，因此，PD 端也不需要普通的橋式整流器。盡管經過優化且降低了最終成本，但由于采用“幻象供電”法，汽車應用的標準以太網 PoE 仍具備其他優勢。特別是 PD/PSE 接地隔離和 PD 端普通模式噪聲抑制，如下方總結表所示。

表 1. 優化的汽車 100BASE-TX PoE 的好處

仔細檢查圖 8 所述的優化時，很明顯 IEEE PoE 的所有關鍵好處均已獲得且無需任何額外成本;沒有額外的接線，使用現有的標準以太網磁性元件和現有的標準電源管理。因此，汽車市場從“PoE 免費!”的概念中獲得了相當獨特的價值定位。

9. 多供應商互操作性

關于任意公開標準，提供真正的互操作性解決方案的競爭供應商數量是衡量成功與否的一個關鍵指標。和其他許多 IEEE 標準一樣，IEEE 802.3 以太網在這方面無疑是非常成功的。與由“白紙”引出的工作組定義不同，對基于標準的現有供應商技術進行逆向工程往往會產生一個重大缺陷：互操作性差。實際情況常常表明，終端用戶不可能在普通網絡中混合供應商設備。MOST 技術中即遇到了上述情況：盡管標準已經“公開”，但專用性仍然會造成潛在的互操作性困難，并因此阻礙了備選供應商的出現。2008 年 11 月發表的《Hansen 報告》提到：“供應商和汽車制造商希望 SMSC ‘專用’MOST 技術能夠更多的降低成本，以及提高市場接受度。有些商家正在考慮采用以太網作為替代方案。” 與專有方法相比，沒有可靠互操作性的公開標準未表現出任何重要優勢。

過去 30 年，IEEE 802.3 以太網生態系統實現了蓬勃發展，形成了標準的設計、測試和一致性規范，產生了大量測試設備和軟件解決方案，并可以使用獨立的測試室，其中最突出的是新罕布什爾大學 (UNH) 的互操作性實驗室 (IOL)。IOL 根據 IEEE 802.3 規范獨立驗證以太網設備，并進行了大量互操作性驗證測試。汽車行業可以開發已經確立的以太網生態系統，從而最大程度地減少融入汽車社區所需投入的任何額外努力。目前已經采取行動，擴展現有的 UNH 以太網測試以獲得低排放傳輸掩碼定義，并擴展使用真正汽車線束的互操作性測試組。

麥瑞及競爭供應商 Marvell 已經證明，標準以太網可以提供多供應商互操作性解決方案，同時符合使用非屏蔽線纜的汽車 EMI 規范。

圖 8. 采用汽車線束的多供應商汽車以太網互操作性

對于圖 8 所示情況，2013 年 7 月在日本東京召開的日經汽車研討會證明了無錯互操作性。長期的無錯通信量通過汽車線束傳輸，該線束包含幾段 5 x 3 米長的使用四個內聯 MQS 連接器的 的低成本非屏蔽 FlexRay 線纜。線束采用手工制造，每個連接器均配備一段最短 5cm 的非絞線，代表最低成本的線纜規格。您可前往 http://youtu.be/QhiBu38bW64 觀看互操作性演示視頻。進一步的互操作性測試已經驗證了替代的汽車線束，長度從較短的 50mm“插線電纜”到延長的 100m 線纜不等。

10. 總結

過去的經驗反復證明，任何給定技術的成功在很大程度上都取決于是否實現了完全標準化。IEEE 802.3 以太網即是在該框架內取得成功的一個完美示例：在多個競爭供應商的驅動下，提供具有超前意識和互操作性的整體解決方案。結果就是，終端用戶可以利用擁有成本最低的解決方案。

真正公開的標準是競爭解決方案實際互操作性的基礎，鼓勵了多供應商設備的持續發展。競爭加劇導致成本降低和發展速度加快，推進形成自持生態系統。IEEE 802.3 以太網提供成熟、確定的生態系統，該生態系統經過多年精煉，毫無趨緩跡象。除了提供適應新市場(如汽車市場)的靈活性以外，以太網已經證明能夠隨著技術發展而不斷擴大和發展，滿足現有市場的新需求，提供多方優勢。以太網和汽車工業的合作結盟，二者注定要共同發展，獲得長期成功。

以太網何時才會在車載網絡中普及?盡管業內積極采納新技術，但引入任何技術都仍須受為期兩年或更長時間的典型汽車設計周期的限制。如果沒有事先調查、了解并完全相信真正的好處，主要 OEM 們不可能冒險采用新技術。2017 年及以后有望實現基于以太網的車載網絡的引入。然而，我們非常確信的一個要素是，IEEE 802.3 基于標準的以太網必將為所有汽車應用——無論是診斷系統還是先進的駕駛輔助或信息娛樂系統提供更低價、更快速、更穩健的解決方案。

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