车载以太网物理层测试的研究与分析

李志涛

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000）

随着汽车智能化、网联化发展，车载应用的飞速增长导致带宽需求不断攀升，从而让汽车网络压力重重，为满足车载通信带宽需求，海量数据处理能力，车载以太网应时而生。汽车以太网联盟OPEN Alliance推广Broadcom公司的BroadR-Reach技术，使用1对非屏蔽双绞线实现百兆以太网的全双工功能，通信距离大于15m［1］，并且满足车载EMC要求。车载以太网基于车载需求，结合常规以太网技术进行了改善、优化，物理层使用单线对非屏蔽双绞线的同时，应用更小巧紧凑的连接器，减少高达80%的车内连接成本和高达30%的车内布线质量。车载以太网物理层的特殊技术需求，促使测试人员在测试方法与测试技术的革新，同时对于以太网物理层的相关测试应严格遵循标准开展，以确保系统的整体性能。

1 以太网概述

以太网技术在20世纪70年代诞生，此后日益发展壮大，形成了规范集群，涉及数十种电缆类型、连接器、速度、信令方法和特点。IEEE802.3是历史最悠久的IEEE802MAC层子规范，也是广泛使用的规范之一。随着通信技术的发展，以太网演变到支持多种不同的速度、电缆和功能，为实现多种网络间的互操作性与兼容性，基于OSI参考模型，IEEE802.3以太网的总体架构模型产生，如图1所示。该模型以OSI参考模型为基础，重点围绕与局域网技术关联紧密的OSI物理层和数据链路层进行了细化，将物理层与数据链路层拆分成多个子层，并将数据链路层与物理层之间的分界线略微进行了调整，一些被OSI模型划入物理层的功能上移至了数据链路层的MAC子层。

IEEE802.3模型第1、第2层分别对应OSI 7层模型的数据链路层和物理层，对应数据链路层的部分又分为逻辑链路控制子层 （LLC）和媒体接入控制子层 （MAC）。对应物理层的部分又分为协调子层 （RS）、介质无关接口 （MII）和PHY子层。MAC与物理层连接的接口称为介质无关接口 （MII）。物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口（MDI）。

IEEE802.3规范众多，其中许多规范并不特别适合车载以太网，随着BroadR-Reach车载以太网技术的出现，车载电子控制单元之间以BroadR-Reach技术进行通信。该车载以太网的物理层与标准的100BASE-TX的物理层主要区别如下［2］。

图1 IEEE 802.3模型

1）与100BASE-TX所使用的扰频器相比，车载以太网数字信号处理器 （DSP）采用了高度优化的扰频器，可以更好地分离信号，比100BASE-TX的频谱效率更高。

2）车载以太网的信号带宽为66.7MHz，只有100BASETX系统的一半。较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，并确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求。

BroadR-Reach技术专为满足汽车内部各种苛刻需求而设计，在物理层上，进行了技术革新与重大的优化，使得车载以太网具有开放的和可扩展的架构，能与多种车内网络系统兼容。

2 车载以太网物理层架构

车载以太网物理层，有时统称为PHY，主要由3个子层构成，分别为物理编码 （PCS）子层、物理媒介附加 （PMA）子层和物理媒介相关 （PMD）子层。PCS和PMD主要负责在高层和低层执行数据编码、处理和传输功能，而PMA负责将PCS与PMD子层联系在一起。物理层架构示意如图2所示。

物理层针对特定的以太网的特性定义信令和编码并与下方的物理介质相连接，PCS层通过MII经RS层实现与数据链路层的连接，PMD层通过MDI连接具体的物理媒介，各子层相关功能如下。

1）协调子层 （RS）：协调子层是物理层与数据链路层的实际接口，协调子层将媒体独立接口的信号转换成数据链路层MAC子层所需要的信号。

2）介质无关接口 （MII）：MII是物理层的一部分，代表物理层与数据链路层MAC子层之间的接口，定义了MAC子层和以太网物理层其它部分之间通信的一组特殊接口。MII专为100Mb／s以太网设计，同时适用于10Mb／s以太网，为满足千兆以太网的需求而对原始MII进行适配，配置频率为125MHz的8位双向接口，称为千兆介质无关接口GMII。

3）PCS子层：PCS与上层的MII和下层的PMA子层进行通信，主要作用是将通过MII、GMII或其它类型的MII按“原始形式”收到的数据最终转换成适合在网络媒介中传输的形式。同时PCS子层作为块编码和其它处理功能的一部分，PCS子层生成利用特定大小的比特形式编码，参与速度自协商处理，允许2台以太网设备决定其共同的速度和双工能力，从而实现高性能、高效率的通信。

4）PMA子层：PMA不仅仅是2个子层之间的一个接口，同时它也负责执行与PCS和PMD间数据传输以及其他任务相关的特定功能。PMA的主要作用是允许PCS和PMD层上使用的2种不同的处理方法能够解耦：即PCS上使用的分块编码、加扰和其他方法能够单独改变PMD上使用的比特编码方法，实现多个PMD在相同的物理层系列中支持不同的媒介。PMA还可通过监控信号特征来检测共享以太网实现中出现的媒介冲突。当检测到冲突时，PMA会将冲突上报MAC子层；PMA还具有时钟恢复功能，通过分析收到的比特流中的跳变将发送设备和接收设备的时钟进行同步。

图2 物理层架构

5）PMD子层：PMD子层用于实现与以太网物理层各类技术相关的特定物理层媒介所需的功能。PMD子层在从PMA读取数据并执行所需的低电平线路编码功能，从而实现PMD对应媒介的必要条件。接收数据时，PMD读取并翻译这些编码信号并转换成比特的形式然后发送至PMA。各个以太网速度对应的实际物理接口采用不同的PMD层。同样，不是所有的以太网物理层架构中都有1个PMD子层，如果没有PMD子层，其功能通过直接与MDI子层通信的PMA子层来实现。车载以太网所使用的BroadR-Reach技术没有这层，当特定PHY只定义了一种物理媒介时，从而不再需要依赖于媒介的特殊子层，因此PMA和PMD功能能够集成到PMA子层中。

6）MDI：MDI被认为是物理层的"逻辑"部分和实际导线间的接口。该接口的特征与媒介本身有明显的紧密联系，因此称为与媒介有关接口，MDI多数为控制器和设备与电缆间的物理接口，通常为某种类型的连接器。各类以太网的MDI标准规定物理需求、电器特性，如连接器大小和类型、引脚设置、连接器固定方法、引脚电器参数等。MDI下方为实际的物理媒介，通过电缆或物理导线在以太网间传输信号。

OPEM联盟及IEEE对车载以太网的PCS、PMA、PHY控制、EMC及互连性等多个方面做出了规范要求。严格意义上讲，所有这些物理层面的要求都需要进行物理层一致性测试验证。若不能通过一致性测试，即不满足车载以太网电气规范要求。那么，车载以太网在实际通信过程中就可能会导致车载以太网信号品质恶化、通信异常或者导致严重的EMC问题，甚至发生车辆安全问题。

在不同的汽车电子行业，车载以太网物理层一致性测试都显得至关重要！对于芯片供应商，只有通过一致性测试，满足了行业标准要求，其产品才能进入市场。对于OEM厂商，车载以太网控制器产品开发周期漫长，应用合乎规范要求的PHY芯片可有效加快产品开发进度，PHY芯片在集成到电子控制单元后，为了保证通信传输的正确性及传输性能，同样需要进行严格的物理层测试。

3 物理层测试

为保证端口的互联互通性能，需进行物理层测试［3］。物理层中的PCS层主要测试车载以太网的协议功能，PMA测试，即物理媒介附加层测试主要测试产品的电气特性。车载以太网物理层测试主要是用来验证车载以太网传输端电气特性，与标准规范的一致性，开展物理层信号的幅度、定时特性、链路连接的稳定性、信道品质指示、线缆诊断等全面的一致性验证，检测物理层发送器和接收器的电气特性是否符合车内通信标准，确保满足OPEN联盟规范要求，在OPEN规范中，测试项目主要以发送器测试为主，测试内容主要涵盖物理媒介附加层（PMA）测试及互联互通 （IOP）测试。

3.1 PMA测试

根据OPEN联盟《BroadRReach_DUT_and_Test_Station_Requirements》规范，定义了BroadR-Reach物理层PMA测试的常规测试内容，包括传输衰落、传输时钟频率、传输抖动、功率谱密度、回损测试和传输失真。为完成这些常规测试内容，需要配置PHY进入特定的模式类型，使被测车载以太网控制器在特定模式下发出特定的信号波形，然后使用专业的测试工具、设备进行测试。对应的测试模式类型包括模式1、模式2、模式4、模式5。PMA相关测试内容、模式及工具设备要求等［4］，见表1。

表1 PMA测试

物理层测试前，需使车载以太网控制器的PHY芯片处于对应测试项的测试模式，通过计算机更改控制器PHY芯片中 PMA／PMD测试控制寄存器实现，可参照IEEE802.3bw规范45.2.1.132章节说明进行寄存器配置，具体的比特定义见表2［5］。

表2 寄存器比特配置定义Bit（s）

除以上常规测试之外，IEEE802.3bw规范中还定义了关于100BASE-T1的测试内容要求，如MDI模式转换损耗、MDI共模发射测试、传输峰值差分输出测试。参照以上规范需求，OEM主要依据OPEN Alliance联盟发布的TC8 ECU Test标准开展ECU级物理层测试，当前TC8 ECU Test_V1.0［6］与TC8 ECU Test_V2.0［7］成为主要测试参考标准，标准中对物理层测试内容执行要求，见表3。

表3 TC8测试项要求

TC8ECU Test_V2.0测试标准于2017年发布，物理层测试部分，在TC8ECU Test_V1.0的基础上，PMA测试部分删除了接收器测试需求，发送器测试在原内容上增加了传输失真测试项，并对各测试内容的执行要求进行了标注，明确了各项内容测试执行属性，指导OEM测试工作的开展。

3.2 互联互通测试

IOP测试用于测试车载以太网控制器设备互联互通性能，要求每个车载以太网控制器的PHY在给定时限内建立稳定链路连接，并能够向上层发送监控和链接状态信号。OEM参考OPEN Alliance联盟TC1［8］中互联互通测试规范要求，依据TC8 ECU Test标准开展测试，该部分测试主要包含链路连接测试、信道品质测试、线缆诊断测试内容，用于测试以太网节点链路连接、信号品质及线缆诊断机制。相关测试内容见表4。

表4 IOP主要测试内容

IOP测试重点验证各ECU之间互联互通，即ECU控制器上PHY之间的互联互通性。各芯片厂家的PHY芯片开发，均遵循IEEE802.3bw中定义的通用性和状态机，但不同PHY芯片厂家实现细节不同，即使同一厂家的PHY，甚至同一厂家不同型号的PHY，配置的不同也会带来差异。因此，芯片级的IOP测试通过是基础，集成到ECU控制器上，IOP测试结果不仅取决于PHY芯片，还取决于PHY的软／硬配置、外部滤波器影响、测试系统配置及信道通信条件等。

基于OEM角度，要保证各个以太网节点之间的通信交互，TC8 ECU Test中所提供的IOP测试项是不足的，测试人员需要基于车辆使用角度，应用场景的考量，追加部分测试内容。同时，OEM需综合考虑影响因素，选择IOP测试工具，确定所选工具所匹配PHY的品牌、型号，确定测试工具基准，开展各车载以太网控制器节点IOP测试，达成一致性测试目标。

车载以太网通信速度的大幅度提升，使得通信品质对物理层特性更敏感、更矫情，匹配电路的设计、Layout布局和布线长度、连接器、线束的选择，甚至在车中的走线路径都对通信带来至关重要的影响，所以物理层测试是车载以太网测试的重要前提，同时从车辆使用及系统集成角度考虑，需要设计不同测试场景验证物理层的耦合影响。

4 物理层测试示例

参照表1，物理层测试需要用到的测试工具、设备主要为示波器、矢量网络分析仪、信号发生器、频谱分析仪、测试夹具等。依据每个测试项的需求，选择对应的测试工具、设备和对应的测试夹具，把被测设备 （DUT）和测试工具、设备等连接至夹具的对应端口，由测试夹具实现各测试工具、设备的物理连接与电路转换功能，物理连接示意图如图3所示。然后，参照表2应用PC对DUT进行测试模式的配置，以触发DUT发送满足测试需求的信号波形。物理连接与测试模式配置完成后，通过连接的测试工具、设备进行测试，采集测试数据、波形信息，依据TC8 ECU Test规范中的要求进行测试项结果的判定。

图3 物理层测试连接

不同的测试项内容，所需工具、设备及夹具，物理连接方法与测试模式配置均有所不同，需根据测试项内容进行相应调整。以物理层测试中的传输衰落测试内容项为例，测试步骤如下。

1）参见表1、图3进行被测控制器与所需测试工具、设备的连接。

2）参见表1、表2，使用PC配置被测控制器进入测试模式1，使被测控制器周期性发出正／负脉冲波形，即40个逻辑1，40个逻辑-1的信号波形。

3）调试示波器采集该信号波形，如图4所示。测量正／负峰值电压Vpk，正／负峰值后500ns处的电压幅值Vd。查看示波器测量数值，如图4所示，正峰值Vpk=852.10mV，500ns处的电压幅值Vd=36.38mV。

4）判定标准要求，正／负脉冲波形的最大传输衰落小于45.0%［9］，即Droop＜45.0%，Droop=100x（Vd／Vpk）%。

5）依据示波器测量电压幅值，计算测量结果Droop=4.27%，该测试项测试通过，重复执行3）、4）步骤，同步进行负脉冲波形测试。为确保测试的精度，重复进行10次正／负脉冲波形测试，分别计算Droop的10次平均值。

图4 示波器信号波形

车载以太网物理层测试影响因素较多，如测试环境差异、工具设备精度、工具兼容性、工具校准操作、时间同步要求，测试接口匹配、连接端口的阻抗特性、测试连接线的选择等，均会对测试结果造成相应影响。因此，在测试开始前，需排除一切可避免的外部影响因素，保证测试的正确性及一致性，同时选择专业、高品质的物理层测试工具链，遵循标准规范执行测试至关重要。

5 结论

车载以太网作为一种新型车载局域网技术，不仅满足汽车行业的要求，而且降低了互连成本和线缆质量。同时，IEEE、OPEN、AVNU、AutoSar等组织联盟［10］标准化的转化、应用的推动，势必会促进车载以太网的开发进程。测试方面，汽车以太网的测试技术、测试工具设备、测试内容等也将随产品开发需求的细化逐步完善，相应的测试要求和方法有待继续研究和跟进。