车载以太网网关的设计和应用

摘 要：随着以太网在汽车领域的推广和普及，车载以太网网关将很快推出市场。相比上一代网关，以太网网关新增了许多新的设计点，对电气性能也提出了更高的要求，只有在开发设计和验证过程中，对关键参数进行严格控制，才能保证整个车载以太网网络系统的稳定运行;从而，使以太网网关在提升通信性能的同时，为整车带来新的功能体验。

关键词：车载以太网;网关;设计;应用

1 车载以太网协议架构

1.1 物理层与数据链路层

车载以太网的物理层采用博通公司的Broad R-Reach技术，源于100Base-TX及1000Base-T技术，由博通公司联合恩智浦、飞思卡尔、哈曼国际等发起成立的OPEN联盟（One-Pair Ethernet Alliance）进行推动，并成为开放的产业标准Broad R-Reach技术在一对UTP上全双工传输100Mb/s原始数据，传输距离可以达到5m，因此，Broad R-Reach技术也称为百兆以太网技术。Broad R-Reach车载以太网信号具备3电平，采用PAM-3编码，传输频率66.66MHz，1bit时间间隔为15ns。Broad R-Reach技术与传统以太网物理层100Base-Tx相比，采用高度优化的扰频器，可以更好地分离信号，频谱效率更高。同时，车载以太网的信号带宽为66.66MHz，只有100Base-Tx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。

1.2 TCP/IP协议簇

TCP/IP协议簇主要对应OSI参考模型的网络层和传输层，是一类协议的统称。网络层主要包括ARP（地址解析协议）、ICMP（因特网控制报文协议）、IPv4/v6（因特网协议类型4/6）、IPv4Autoconfig（IPv4本地地址动态配置）等，传输层主要包括TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据報协议）。

TCP/IP协议簇是网络协议栈的中心部分，是上方的应用协议和下方的物理硬件通道之间数据传输的连接点，起到高层应用与网络协议之间的桥梁作用。车载以太网的TCP/IP协议簇所包含的协议，和普通以太网的TCP/IP协议基本相同，可以支持更上层的协议。

1.3 应用层协议

车载以太网应用层协议对应OSI参考模型的5-7层，直接面向用户。协议主要包括SOME/IP（基于IP协议的可伸缩面向服务中间件）、DHCP（动态主机配置协议）、DOIP（汽车诊断服务协议）、HTTP（超文本传输协议）、Service Discovery（服务发现）等。应用层协议可以为用户提供多种服务，是用户能够具体应用的部分。

2 车载以太网网关

车载网关作为车辆上不同总线的信息交互处理节点，在引入以太网之后，也需要进行相应的升级，支持新的总线接口。车载以太网网关，在原有CAN/LIN通信的基础上，新增了以太网通信接口，可满足新的整车网络拓扑架构需求。车载以太网网关在应用时，需遵循车载以太网的标准规范要求，在整个通信链路上，对关键参数进行控制和约束，才能保证在各以太网节点，能够在整个网络上稳定的进行数据收发。

2.1 特性阻抗

车载以太网总线速率为100Mbps，只有特性阻抗（Characteristic Impedance）设置正确，才能保证发送出去的信号不会被别处的连接点反射回来，造成回波干扰。其中，影响特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度等。特性阻抗匹配的好，就像信号在无限长的线缆上传送，永远不会被反射。

2.2 插入损耗

插入损耗（Insertion Loss）指在传输系统的某处，由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗。

以太网在传输时，除了电缆本身的衰减，整条传输通道上的负载，都会产生损耗，包括PCB，Choke，滤波电路，接插件，以及线路中的连接转接头等等，一般来说，信号频率越高，衰减越快。理论期望这些负载对信号不要产生多大影响，所以插入损耗应该越小越好。

2.3 回波损耗

回波损耗（Return Loss），又称发射损耗，是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射。按上面的特性阻抗概念，只有在理论上，才能将回波消除。但实际中，总归有或多或少的回波发射回来。这里引入回波损耗来考量一套系统的阻抗匹配质量。回波损耗也用相对量来表示，单位是分贝。表示输入信号的功率与返回信号的功率之比。对于系统来说，回波损耗值越大越好。

2.4 接插件设计

车载以太网网关在接插件选型时，从成本、尺寸、便利性、扩展性等角度进行了综合考虑，采用集成紧凑型接插件。该接插件采用非屏蔽双绞线，在有效保证100Mbps以太网通信能力的同时，有效节省PCB的占用面积，节省成本。

接插件紧凑型接插件的PIN针直径小，且PIN针间距紧密，为保证生产质量，在完成焊接后，可通过X光，对接插件的焊接质量和填充率进行检查。

2.5 PCB电路设计

以太网网关包括CAN/FD和以太网通信模块，以太网模块的电路主要由MAC控制和物理层PHY接口两大部分构成。以太网的信号线是以差分对的形式存在，差分线具有很强共模抑制力，抗干扰能力强。但如果布线不当，将会带来严重的信号完整性问题。尽量保持差分对平行，等长，短距，避免过孔，交叉。

3 结束语

总的来说，以太网技术的应用便利性很快被汽车业内认知并接受。比如同一个文件1MB大小的文件，用以太网总线进行传输后，相比CAN总线所需的时间可大幅节约，提升了用户的体验感。本文总结了在开发过程中，器件选型，硬件开发，测试验证等环节，需要控制的关键参数和需求，确保产品开发的质量，保证车载以太网通信的可靠和稳定。

参考文献：

[1]赵玉彬，祝永新，田犁，汪辉，封松林，李海华.一种用于车载以太网PHY的高速D/A转换器设计[J].固体电子学研究与进展，2018，38（06）：439-445.

[2]王娟.第三代车载网关——车载以太网网关[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（10）：111-112.

[3]李志涛.车载以太网的研究与分析[J].汽车电器，2018（03）：9-12.

推荐访问:以太网 网关 设计