车载以太网物理层互操作性测试研究

姬楠 谷原野 王邵龙 孙运玺

【摘  要】文章主要介绍车载以太网物理层互操作性测试，首先详细描述TC8规范对车载以太网物理层互操作性测试的要求，然后分别对互操作性测试3部分的基本原理进行说明，进一步阐述测试目的、测试方法和测试要点。文章研究的目的是为车载以太网控制器的开發和测试验证工作提供指导。

【关键词】车载以太网;物理层;互操作性测试

中图分类号：U463.62    文献标识码：A    文章编号：1003-8639（ 2024 ）05-0078-03

Research on Interoperability Test of the Physical Layer of Automotive Ethernet

JI Nan，GU Yuanye，WANG Shaolong，SUN Yunxi

（FAW Car Co.，Ltd.，Changchun 130000，China）

【Abstract】The article mainly introduces the physical layer interoperability testing of in vehicle Ethernet. Firstly，it describes in detail the requirements of TC8 specification for physical layer interoperability testing of in vehicle Ethernet. Then，it explains the basic principles of the three parts of interoperability testing，and further elaborates on the testing purpose，methods，and key points. The purpose of this article is to provide guidance for the development and testing verification of in vehicle Ethernet controllers.

【Key words】in car Ethernet;physical layer;interoperability testing

作者简介

姬楠（1989—），男，硕士，工程师;谷原野（1984—），男，硕士，高级工程师;王邵龙（1988—），男，硕士，高级工程师;孙运玺（1984—），男，硕士，高级工程师。研究方向均为汽车电器单系统功能测试、电气功能测试、硬件在环测试系统的设计与应用等。

随着车联网技术的迅速发展，整车的智能座舱、人机交互、主动车道偏离预警系统等功能应运而生，并逐渐成为汽车发展的主流方向，传统的CAN总线由于其传输速率只有1Mb/s，且主要用于控制信息的传输，最新的CAN-FD总线传输速率也只能达到5Mb/s，无法满足车上控制器通信对高带宽、传输数据种类多样性的要求。但是，车载以太网的传输速率可以达到100Mb/s以上，甚至可以达到1Gb/s[1]，支持音频、视频等媒体数据和控制信息的传输，成为未来汽车电子系统发展的趋势。然而车载以太网在实际应用中面临着各种挑战，抗干扰能力不足、线缆故障等问题需要不断开展相关的研究和分析，优化控制器的设计和性能，提高车载以太网在物理层方面的稳定性和可靠性。同时，也需要制定标准化的测试规范和测试方法，以确保车载以太网控制器的互操作性。本文对车载以太网物理层互操作性（Interoperability，IOP）测试进行研究，并对测试原理进行分析，阐述测试目的、测试方法和测试要点。

1  车载以太网及物理层概述

车载以太网的来源可以追溯到20世纪90年代初。Broadcom、NXP和Harman公司在2011年成立了OPEN联盟，借助BMW在EMC领域的支持， Broadcom为汽车应用制定了一个基于BroadR-Reach技术的行业标准以太网规范[2]。新的车载以太网标准协议采用全双工通信模式，使用单对双绞线进行数据传输，相对于传统的车载以太网协议，具有更高的可靠性和更低的成本。

在车载以太网中，常用的应用层协议有SOME/IP、DoIP、UDP-NM等。BroadR-Reach和100Base-Tx使用两种不同的车载以太网协议。100Base-Tx一般称为商用以太网，例如电脑网线等，基于IEEE标准802.3u制定;100Base-T1则专门为汽车通信使用，基于IEEE标准802.3bw开发。100Base-Tx使用2对常见的双绞线作为传输介质，而100Base-T1则采用了单对双绞线[3]，因此，100Base-T1在布线方面更为灵活。由于100Base-T1使用了特殊的时钟恢复机制和数据编码技术，可以有效地降低外界信号对数据传输的干扰，实现了全双工的通信，比100Base-Tx更具有抗干扰能力。而100Base-Tx则需要更多的干扰过滤器和隔离器来保证传输品质。

车载以太网物理层架构指在车辆网络中用于传输数据的硬件设备和接口之间的协议和标准。车载以太网物理层结构包括协调子层RS、介质无关接口MⅡ、物理编码子层PCS、物理媒介附加PMA、物理媒介相关PMD、与媒介有关接口MDI。当前，BroadR-Reach技术是车载以太网中最常用的物理层标准之一，但随着新技术和协议的涌现，车载以太网的物理层结构也将不断演化壮大。

OPEN联盟致力于推广以太网技术在车辆中的应用，TC8规范提出了从物理层到应用层的各层互操作性以及常规基础功能要求，旨在提高不同控制器之间的兼容性。TC8规范要求对以太网物理层进行全面的测试，包括信号衰减、传输速率、时钟频率、抗干扰性等多个方面，以验证系统是否符合设计要求和产品规范。如果验证不合格将影响传输速率，网络延迟增加，增加网络故障，进而影响车辆功能及行驶安全。为了保证车辆以太网功能可以正常实现和车辆行驶安全，整车厂需要进行严格的以太网物理层测试。

2  车载以太网物理层IOP测试

车载以太网IOP测试指对车载以太网系统进行互操作性测试，虽然控制器供应商所使用的芯片都是依据IEEE802.3bw中定义的通用性和状态制定，通过了一致性测试，但是硬件与软件相结合的控制器需要保證符合TC8规范要求，不同控制器之间才可以正常通信。因此TC8规范要求的IOP测试可以验证车载以太网的兼容性，提高整个系统的稳定性和可靠性，加速车载以太网技术的普及和推广。TC8规范IOP测试部分主要对3个方面进行要求，分别为连接时间、信号品质随信道品质的影响和线缆诊断。

2.1  连接时间

TC8规范中IOP连接时间测试指测试设备在不同情况下建立网络连接所需的时间。该测试项主要用于评估设备在实际使用环境下的性能，以确保设备能够稳定地建立网络连接，提高整个系统的稳定性。

2.1.1  基本原理

连接时间测试部分包含3个测试项，分别为Link Partner（模拟的被测控制器的对手件）通电、DUT（被测控制器）通电和DUT唤醒。针对不同的工况展开测试：Link Partner通电测试项模拟工况为当DUT处于正常工作状态，Link Partner由断电状态变为通电状态;DUT通电测试项模拟工况为DUT由IG Off、BAT Off状态变为通电状态（IG On、BAT On），即模拟DUT冷启动;DUT唤醒测试项模拟工况为DUT在睡眠模式状态下被唤醒（IG On或CAN唤醒），即热启动。

TC8规范中要求Link Partner冷启动上电、DUT冷启动上电和DUT唤醒的时刻分别到各自完成PHY芯片配置的时间参数要有明确的定义。Link Partner的PHY芯片配置完成时间由模拟Link Partner设备决定，定义为固定值，命名为Tready。DUT的冷启动PHY芯片配置完成时间和热启动PHY芯片配置完成时间由DUT的软硬件结合实现，分别命名为Tready1和Tready2，在TC8 V1.0版本中，3项的评判标准分别为tmax<（200+Tready）ms、tmax<（200+Tready1）ms和tmax<（200+Tready2）ms，其中tmax为各项测试中实际测得的连接时间的最大值。在TC8 V2.0中对控制器的连接时间的稳定性做了更加严格的要求，将连接时间的最大值波动范围进一步由200ms缩减至100ms，即判定参数进行修正改为tmax<（100+Tready）ms、tmax<（100+Tready1）ms和tmax<（100+Tready2）ms。

值得注意的是，TC8规范中未对这3个时间（Tready、Tready1、Tready2）有明确的范围要求，可以由OEM和控制器开发商共同定义。这种方式给OEM和控制器开发商在设计上提供了更加灵活的实现方式，但是也增加了功能出错的风险。在车辆上电时，整车控制器会同时上电工作，而由于各个控制器的热启动时间不同，在设计前期需要进行整车架构和功能的协调，保障不会因为某个控制器的热启动时间过小或者过大，引起控制器记录节点丢失等诊断故障代码DTC或功能降级，从而产生用户体验感差或车辆安全隐患。

2.1.2  测试步骤

以DUT唤醒测试项为例，目的是确保DUT在本地睡眠模式（通过静电流判断）状态下被唤醒（IG On或CAN等），DUT在规定的时间内建立连接，且不能有较大的偏差。

测试前提为DUT供电（BAT On、IG Off）稳定，DUT处于本地睡眠状态，Link Partner处于准备建立连接状态，触发DUT唤醒条件（IG On或CAN唤醒等），记录时间tstart。轮询Link Partner状态寄存器，直到建立连接，记录时间tstop。计算连接时间tup=tstop-tstart。通过计算tup的均方根σt、最大值tmax和最小值tmin判断其连接时间的稳定性，要求均方根σt<50ms，tmax<（100+Tready1），tmin>（10+Tready1）。如果DUT存在交换机，所有的通道都需要被单独测试。

2.2  信号品质

信号品质随信道品质影响测试项的测试目的是检测信号的传输品质、抗干扰能力，以便在发现问题时及时进行维护和修复。

2.2.1  基本原理

信号品质表征SQI是基于总线信噪比SNR转化而得到的，由于每个芯片厂商的算法不同，SQI值的表示方法也不同。信噪比指信号电平与噪声电平之比，一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，否则相反。

TC8规范要求通过人工制造高斯噪声来干扰信道品质，以太网控制器可以检测识别到当前的信道品质。TC8 V1.0和V2.0中噪声的注入原理存在差异。TC8 V1.0中采用在ETH_P（车载以太网线正极）和ETH_N（车载以太网线负极）之间串入电阻的方式进行噪声注入，每个噪声等级之间电阻为5Ω。TC8 V2.0中采用高斯噪声发生器以串扰的方式进行噪声注入。

除了噪声注入原理存在差异，判断结果也存在不同。TC8 V1.0中要求DUT与Link Partner在测试过程中的SQI需要保持一致，在SQI≤40%情况下，允许DUT连接断开，在SQI>40%情况下，连接不能断开。而在TC8 V2.0中要求控制器检测到信号品质变化要与信道品质变化保持一致，即随着高斯噪声水平的逐步降低，DUT检测到的SQI值单调递增;随着高斯噪声水平的逐步增高，DUT检测到的SQI值单调递减。需要注意的是，SQI值大于DUT定义的最小值时，DUT必须处于连接状态，且DUT不应该检测到间歇性的连接断开情况。

2.2.2  测试步骤

以随着信道品质逐渐变差的信号品质表征测试项为例，测试目的是确保DUT信号品质表征随着通道信号品质变差而下降，DUT的信号品质表征与注入的人造噪声水平之间存在一致性。通过差分定向耦合器制造人工噪声来降低通信信道品质。

首先，不制造任何的人造噪声，保证DUT和Link Partner之间的信号品质达到最佳，DUT软件复位并重新配置PHY芯片，读取DUT的SQI和连接状态的参数值100次，确定并记录读到的最小值和最大值。

其次，将人造噪声水平提高一个等级，即提高100mV高斯噪声，读取DUT的SQI和连接状态的参数值100次，确定并记录读到的最小值和最大值。

然后重复以上步骤，直到PHY断开连接后，再进一步逐级增加10个等级，并且每增加一个噪声等级，需要读取DUT的SQI和连接状态100次。

最后用每个人造噪声水平对应的SQI值绘制SQI-高斯噪声曲线。

判断标准为随着高斯噪声水平的逐步增加，DUT检测到的SQI单调递减（SQI值只有在控制器处于连接状态时有效），且如果SQI值大于DUT定义的最小值，DUT必须处于连接状态，且不应检测到到间歇性的连接断开情况。

2.3  线缆诊断

TC8规范要求DUT可以检测到1条或者2条总线的断开，也能够检测到1条或者2条总线与电源正极、电源负极短路，或者2条总线之间的短路情况。

2.3.1  基本原理

物理层线缆诊断通过时域反射计TDR实现。信号在某一传输路径传输，当传输路径中发生阻抗变化时，一部分信号会被反射，另一部分信号会继续沿传输路径传输。TDR通过测量反射波的电压幅度计算出阻抗的变化，同时只要测量出反射点到信号输出点的时间值，就可以计算出传输路径中阻抗变化点的位置。

由于時域反射计是通过发出脉冲来检测线缆状态的，所以在进行线缆诊断时，需要将Link Partner设置为Slave模式。TC8 V2.0规范保留了远、近端开路、短路测试项，并将总线短路到电源地的线缆诊断测试项合并到远、近端短路测试项中。

值得注意的是，由于各家芯片的设计不同和控制器开发商软硬件结合的差异，部分控制器只能识别到开路和短路的情况，无法识别其短路或者开路的位置。由于TC8对诊断位置未做强制要求，此部分可由OEM根据项目需要对是否检测诊断位置做差异化定义。

2.3.2  测试步骤

以远、近端开路的线缆诊断测试项为例，目的是确保DUT的线缆诊断功能可以检测到1条或2条总线的断开，并能判断其总线开路位置。

首先DUT处于正常工作状态（IG On、BAT On），与Link Partner连接状态稳定。清除DUT已检测到的所有线缆错误，等待一段时间后读取DUT检测到的所有线缆错误，确保控制器在制造线缆开路错误前未记录开路故障。

然后，制造一种线缆开路（ETH_P开路、ETH_N开路或2条总线开路）故障，等待线缆诊断功能能够检测到开路故障的时间后，取消制造的线缆故障。读取DUT检测到的所有线缆错误。

按照上述步骤依次对2条线缆单独开路和同时开路，远端开路和近端开路进行组合，遍历所有开路情况。

判定条件为在制造对应的线缆错误后，DUT可以准确检测并记录相关的线缆错误。由于控制器的设计差异，读取线缆故障的方式有很多种，可以通过以太网读取，也可以通过CAN总线或者ADB（Android Debug Bridge，调试桥）串口等方式读取线缆错误。

3  结论

车载以太网的应用已经越来越广泛，以太网的功能和相关协议更新迭代越来越快。物理层作为通信的基础，越来越受到大家的重视，这使得汽车制造厂对架构、功能设计要考虑一致性、EMC等因素，也加速了汽车制造厂和合作单位对车载以太网物理层测试方法进行更深入的研究。

参考文献：

[1] 尹荣彬，陈博，孔祥明. 智能网联汽车车载以太网技术应用研究[J]. 汽车文摘，2019（11）：1-5.

[2] 李巍，张丽静，王燕芳. 车载以太网技术及标准化[J]. 电信网技术，2016（6）：1-5.

[3] 呼布钦，秦贵和，刘颖，等. 下一代汽车网络：车载以太网技术现状与发展[J]. 计算机工程与应用，2016，52（24）：29-36.

（编辑  凌  波）

收稿日期：2023-11-17