随着汽车以太网标准BroadR-Reach和时间敏感网络(TSN)的引入，以太网已经成为车载网络的一种选择。虽然它已经在IT领域使用了几十年，但它是一种新的自动驾驶技术，需要广泛的测试。当前的测试解决方案通常针对特定情况，而不是车载环境，所以某些特性对于车载使用仍然是不确定的(例如，短路或裸线的容错能力)。由于车辆严格的安全要求，再加上CAN通常用于这些环境，所以在车载网络中应用以太网之前必须清除这些特性，汽车以太网应该具有相同或更好的容错能力。

CAN和BroadR-Reach均使用一对双绞线作为物理介质，因此传统的容错测试方法可以应用于汽车以太网。由于新的收发电路，一些测试方法需要修改。我们分析和测试了宽带网络的物理通信机制，并与CAN总线进行了比较。测试用例如连接BAT或GND的电线短路、地动和负载能力。这些测试结果与芯片厂家和生产批次有关，但其分析结果对汽车以太网规避危险仍具有指导意义。

1 简介

车载电子系统分复杂性和多样性发展迅速，包括自动驾驶和先进的驾驶员辅助系统。这两者都需要比传统车载网络更多的带宽。通过与USB、LVDS、火线等总线的比较，BroadR-Reach的以太网似乎是正确的选择，因为它具有高带宽和电磁兼容性(EMC)性能。随着音频视频桥接(AVB)和TSN的引入，汽车以太网由于其对上层的确定性媒体访问控制(MAC)服务，在运行时有可能成为车载网络。实时能力和容错拓扑表明，可以部署基于以太网的主干，它将所有的汽车领域整合在一个单一的物理层上。

虽然以太网已应用于车辆诊断和娱乐系统，但由于以太网的严格要求，更换CAN是有风险的。作为汽车领域的一项新技术，有必要广泛的测试。相关组织已经开发了相关的测试规范。这些测试用例包括物理层、数据链路层、网络通信协议，以及电子控制单元(ECU)或交换机上的性能，如图1所示。

图1 车载以太网测试

为了克服汽车以太网测试的挑战，来自IT、汽车和测量领域的公司提供了工具，如物理信号测量、网络仿真器、嗅探器和时钟测量工具，以满足测试需求。车载娱乐系统主要关心这些工具中的大多数用于以太网的性能和一致性。随着TSN的产生，以太网在与控制相关的子网和主干中的应用成为可能，这对容错提出了更高的要求。CAN和BroadR-Reach都使用一对双绞线意味着传统的容错测试方法仍然适用于汽车以太网，如图1 (c)所示。本文的测试方法来源于GMW14241的容错模式测试。对于新的收发电路，一些测试方法需要根据需要进行修改。

本文旨在测试汽车以太网的容错能力，并与CAN总线进行比较。第二部分分析了BroadR-Reach物理链路，并对其容错性能做了一些假设。第三部分介绍了容错的测试方法和结果。第四部分对这些结果进行了分析，指出了产生这些结果的原因，并提出了改进建议。第五部分总结了结果，并为使用汽车以太网避免危险条件提供了一些建议。

2 物理层分析

BroadR-Reach技术始于IEEE 802.3 1000BASE-T标准;因此，重用了一些基本原则，如图2所示。1000BASE-T标准在一对导线上使用5个电压值:-2、-1、0、1和2;因此，四对连线允许5 4 =625个可能的码字。其中256个是数据字，复位用于冗余和控制(4D-PAM5)。

与其他100BASE以太网一样，BroadR-Reach技术通过一个标准的独立媒体接口(MII)与MAC进行对接，该接口在每个时钟上传递4位数据，运行频率为25 MHz。下一个传输(或反向接收)步骤是由物理编码子层(PCS)执行的4B/3B时钟转换。4bit块以33MHz 的时钟速率转换为3 bit块。不是直接将3bit块转换到底层，而是应用了侧流置乱技术。这一步改善了直流平衡，并避免了由长串0或1秒引起的时钟同步问题。如图2的右上角所示，尽管链路上没有帧在传输，差分信号仍然产生足够的跳变来进行同步。

图2 1000BASE-T和BroadR-Reach

最后，每个3位块被编码为一对三进制符号，其值分别为−1、0和+1 (3B/2 T)。如图3所示，tx_mode期间的BroadR-Reach的位图为SEND_N。这些三进制符号以66.6兆赫的频率在一对电线上传送。

图3 3B/2T BroadR-Reach

BroadR-Reach是一对导线上的全双工收发器。这是通过一种混合的物理层芯片。图4显示了1000BASE-T的示例，其中传输信号A通过两条路径到达地面。接收到的信号B也在网络变压器的帮助下通过R4，因此，A和B在R4处混合。在接收机端进行减法运算，理论上的接收机路径与发射路径完全解耦。由于车载设备采用电池供电，不需要进行高压隔离，输出端采用交流耦合电容而非变压器，如图5所示。

这种混合结构只允许一个链路上有两个节点，这意味着汽车以太网是点对点通信，多节点必须通过以太网交换机交换帧。这种特性可能会增加成本，但会导致更好的信号质量。随着主干或分支的节点数和链路长度的增加，总线网络系统的信号波形通常较差(如CAN信号振铃)。但是，汽车以太网并不关心这个问题，因为每个链路在物理上是独立于其他链路的。一个链接上的错误不会导致其他链接上不可预知的故障。

图4 1000BASE-T的混合结构

图5 测试TJA1100的接口电路

然而，与CAN相比，以太网仍可以支持错误检测，就像定义的那样。损坏的帧由发送节点和任何正常运行的接收节点进行检查。自动重传保证了帧尽可能正确地传送。以太网没有这种机制，只有接收节点通过MII或CRC检查的rx_err信号才能知道传输失败。如果接收方的软件忽略这个错误，帧将丢失而不通知发送节点。传输控制协议(TCP)可以用来帮助重传，但实时能力是无法接受的控制帧。TSN中的无缝冗余技术可以在保证实时性的同时减少丢包，但仍然无法避免丢包。因此，研究宽带链路的容错问题具有重要的现实意义。虽然芯片内部的真实电路是未知的，下面是根据图4和图5的一些设想

a.由于交流耦合电容，短路一条线到BAT或GND不影响通信;

b.地面移动不因相同原因影响通信;

c.与CAN相比，随着信号频率的增加，双绞线并联电容对双绞线的影响增大;

只有一条线连接，通讯不能继续。

3 容错性测试

随着连接器和电线老化，可能会出现一些故障，如外阻和电容、电缆开路、短路和接地故障。在以太网对具有CAN总线的车载网络的应用中，期望具有相同或更好的容错能力。本节将在以太网和CAN上测试这些能力。这里使用的收发器是以太网的TJA1100和CAN的TJA1040，两个节点为500kps，如图6所示。BAT电压是12v。

3.1 电线短路或开路测试

在运行时电线可以短路或短路。通常网络不需要继续正常通信，但是在故障期间组件不能被损坏。测试结果如下图所示。以太网的一个好结果是将一条线缩短到GND。无论哪条线短路到GND，都不影响通信。这一结果比同一故障在CAN中的结果要好。然而，一根电线短路时发生了意料外的结果。由于交流耦合电容的存在，以太网预计不会受到这种故障的影响。但是，实际测试结果表明，损坏的节点经过一个功率循环后无法恢复，意味着这是一个永久性故障。造成这种损害的原因将在结果分析部分进行讨论。

图6 基本测试电路

图7 电阻测试设置和结果

3.2 内阻测试

电阻作用于一根或两根导线上，如图7所示。此测试用例可用于在较差的连接条件下显示容错能力。随着电阻的变化，CAN故障以错误帧的形式出现。对于以太网，故障意味着链路的建立失败或帧丢失。

试验结果总结如下。对于每个测试用例，左侧值表示网络可以在此条件下正常工作。对于正确的值，网络将开始出现错误。

向下拉一根电线到GND将没有效果。如果两根电线都拉到GND，故障可以减少到并联电阻的情况下，这是已经被测试证明。

在分析短路损坏的原因时，将测试一根电阻拉到BAT上的导线。

3.3 电容测试

在双绞线上电容是平行的，如图8所示。此测试用例还用于显示连接不良情况下的容错能力。由于更高的物理信号速率(以太网为66.6 MHz, CAN为500 kps)，平行电容对以太网的影响将会更大。

下面是以太网和CAN的结果：

•以太网可以在100 pF以下继续通信，但有额外的启动延迟;

•以太网在220 pF以下停止通信;

•CAN可以在10nf下继续通信;

•CAN在22 nF以下停止通信

结果表明，以太网对电容敏感。通过增加电线长度很容易达到100pf，这意味着几米长的链路可能无法及时启动。

图8 电容测试设置

3.4 地移测试

CAN的传统地移要求是±2v，没有误差帧。由于耦合电容的存在，恒压地移不会对以太网产生影响，因此，AC换地能力测试如图9所示。

试验结果表明，恒定接地和交流接地对通信没有影响。在电压变化过程中，脉冲电压会导致帧丢失。有了方波，交流几秒钟后就停止了。但是，这些错误是暂时的，节点在重新启动后可以恢复。

图9 地移测试装置

4 结果分析

试验结果总结如下:

a.以太网需要更好的连接;

b.以太网具有较好的地移电阻;

c.以太网线应避免高压引脚短路。

a)容易接受，因为随着物理频率的增加，这是不可避免的。然而，在评估产品生命周期中的环节是否能够得到保证时，应该考虑到这种风险。为了检测链路故障并在故障后进行恢复，以太网需要一个链路管理系统(如CAN总线恢复)来正确地重新启动收发机并记录故障状态。

结果b)对共模干扰的电阻是有用的。在图10中，蓝色的线(5v /div)表示图9中的TA，紫色的线(2v /div)表示TB，黄色的线(2v /div)表示TC。TB和TC之间的电压降低显示了共模扼流圈的优点。然而，共模扰动仍然对节点有影响，如图10的左侧所示。正弦波附加在接收端口上。由于以太网使用了差分信号传输，所以通信可以正常进行。在脉冲或方波干扰的情况下，共模抑制的能力是有限的。虽然这种抑制仍然有效，但在故障期间，链路会丢失帧或中断。

图10 测试正弦波和脉冲电压

结果c)是不期望的，因为以太网有耦合电容，并支持功率通过数据线(PoDL)。然而，测试结果表明这种期望是不正确的。如图11所示，PoDL电路和故障电路是不同的。额外的电感用于保护PoDL的链接。如果TA上的电压缓慢地从1v增加到BAT(在测试期间小于0.5 V/s)，通信不会受到影响，收发机也没有损坏。

图11 PoDL和故障设置

TJA1100的数据表显示，TRX_P/M上的最大电压为4.6 V，短路时容易达到，如图12所示。红色的线(5v /div)表示TRX_P电压(图11中的TA)，蓝色的线(5v /div)表示芯片端TRX_P的相关电压(TB)。左图为短期断层;可以看出，芯片一侧的电压升高，但未达到极限。因此,继续沟通。然而,长期故障导致电压芯片方面超越5 V,和通信停止约2.2μs。

图12 BAT (2us/div) 的短路TRX M

长期故障(接近PHY_1的短点)导致物理层芯片状态不稳定。故障发生后，将两个节点连接到正常节点，并重新启动60次以显示它们的状态。表5显示了两个测试的结果。在重新启动后，无法启动通信或恢复丢失的帧。这意味着如果这个故障发生在运行期间，车辆的通信变得不稳定。

这甚至比完全缺乏通信更糟糕，因为不稳定的条件增加了故障排除的难度。

PHY_2的检测结果优于PHY_1。原因可能是两个节点之间的2米电缆，它提供了故障点和PHY_2之间的额外保护。为了显示附加电阻的效果，应用了图13的左上显示的测试用例。结果表明,框架是失去了在故障发生时,R1是330Ω以下;然而,继续沟通和节点不损坏当R1≥0.75Ω。这意味着保护别针并不困难。与NXP的设计参考相比，图5中的电路没有任何静电放电(ESD)元件。尽管这些元件通常针对千伏的电压，但它们可以用来防止这种损害，如图13 (b)所示。当电压高于VCC加上二极管引线电压时，二极管打开，脉冲能量被电容器吸收。实际测试结果如图14所示，其中红线是TRX_M，黄线是MII的RX_DV。这意味着通信在故障期间停止，在大约21毫秒后恢复。

图13 具有附加电阻得短路测试

5 总结

在本研究中，我们测试了汽车以太网的容错能力。结果表明，以太网对连接器和电线老化的容忍度较低，这意味着在系统的生命周期中需要更好的组件来保证它们的物理性能。本文没有评估振动的影响，但是不应该忽略，因为短时间的开放连接对CAN来说并不重要，可能会导致以太网数据包丢失。考虑到以太网的高带宽性能，高质量的连接器和电线的成本是值得的。

在ESD器件的帮助下，以太网对短路时的容错能力有了很大的提高。虽然从故障中恢复需要一些时间，但连续的短路状态不会导致长时间的通信故障。丢失的帧可以由应用程序重新传输，也可以通过冗余链路传输，从而确保故障对通信的影响最小。

其他故障可能导致帧丢失或通信中断，但不是永久性的损坏。与CAN相比，每个结果都显示出相同或更好的容错能力，这意味着汽车以太网有潜力通过更好的连接和改进的电路得到更广泛的应用。