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TI的車載以太網(wǎng)之DP83TC811S-Q1:車載以太網(wǎng)讓您的T-BOX如虎添翼

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2022-01-20 11:34 ? 次閱讀

Other Parts Discussed in Post: DP83TC811S-Q1

汽車新熱點:細數(shù)T-BOX中TI的明星產(chǎn)品(進行中)

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

CAN敬請期待

………

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

第一節(jié)電源

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!

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

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),但由于它需要兩對雙絞線,難以符合嚴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,如加入迭代、編碼以及擾亂機制等,使其電磁輻射性能有所改善、布線成本下降、占用空間減少,只需要采用單對非屏蔽的雙絞線即可實現(xiàn)100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。通訊距離至少可達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的以下幾個特點密不可分:

采用了特殊的編碼方式

100BASE-T1采用了獨特的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,從而實現(xiàn)較低的電磁干擾。在進入單對非屏蔽雙絞線之前,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,對數(shù)據(jù)進行編碼、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)通過單對非屏蔽雙絞線傳輸?shù)綄?yīng)的鏈路伙伴。

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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。

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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整除就添加補充位,頻率增加為33.333M。(33.33M*3=100Mbps)

2T:根據(jù)表1中的對應(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。

我們可以對比一下,傳統(tǒng)的100BASE-TX采用多級傳輸(MLT-3)以實現(xiàn)125MHz的數(shù)據(jù)傳輸。其使用的基頻遠高于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。

可在單對非屏蔽雙絞線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)

100BASE-T1是一個物理全雙工接口,支持在同一對雙絞線上傳輸和接收,而100BASE-T和100BASE-TX則是在不同的專用對上傳輸和接收。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,并從鏈路伙伴處提取接收到的信息。為了做到這一點,一個PHY被專用為Master,另一個PHY為Slave。當(dāng)兩個100BASE-T1物理連接時,它們經(jīng)過一個訓(xùn)練過程,使被測設(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PHY中混合和回聲消除的簡化框圖。

可通過外部組件進行調(diào)節(jié)

在PAM3信號離開或進入板之前,有幾個外部組件可以對信號的傳輸和接收進行調(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、改進共模噪聲濾波、并在保持高免疫的同時減少輻射排放。

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,因為它會干擾PHY的接收。此外,由于共模噪聲是單端能源,會導(dǎo)致更高的輻射排放。下表2列出了設(shè)計中使用到的共模扼流圈(CMC)必須滿足的100BASE-T1 PHY的要求。

采用更簡化的直流隔離

下圖4展示的是100BASE-TX和100BASE-T1分別是如何實現(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則采用更簡單的方法,只使用兩個電容。與變壓器的方案相比,這兩個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電路實現(xiàn)。

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圖- 4 100BASE-TX和100BASE-T1的直流隔離

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圖- 5 100BASE-T1 典型電路

正是由于這一系列的改進與優(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。其中一個最典型的應(yīng)用就是T-BOX。

助力于T-BOX的DP83TC811S-Q1

每個車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)背后都有一個默默付出的T-BOX,雖然它不像車載娛樂大屏那樣頻頻刷存在感,但卻默默地撐起了車聯(lián)網(wǎng)的一片天。T-BOX又稱遠程信息控制單元(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)(各個通訊域的橋梁),進一步與T-BOX(TCU)通訊,從而使得汽車上的各種ECU都能訪問云端,進而實現(xiàn)軟件/固件的無線升級(OTA)或者數(shù)據(jù)的交互傳輸,從而為人們提供極大的便利。

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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。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)致的停機時間。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)上達到100Mbps的傳輸速率,并且可與其他100BASE-T1 PHY兼容。

支持多個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測試規(guī)范

支持IEEE 1588 SFD

對EMI和EMC性能進行了優(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,提供了廣泛的實時監(jiān)視工具,調(diào)試工具和測試模式列表。該工具包內(nèi)是第一個集成式靜電放電(ESD)監(jiān)視工具。它能夠計算xMII和MDI上的ESD事件,并通過使用可編程中斷來提供實時監(jiān)視。此外,DP83TC811S-Q1包括一個偽隨機二進制序列(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!而對應(yīng)的TI器件DP83TC811S-Q1將會繼續(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

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