車載乙太網路系統——雙絞線總結（原創）

2019-06-15汽車

「這幾天一直在忙著看百度的Apollo，對於ADAS系統中的感知、決策、控制三部份有了一個簡單直觀的了解，還是覺得抱著自己的simulink好好學控制吧，這幫人搞的自動駕駛都是玄學，唯獨線控理論可以沖進去好好學習。」

本文的主要內容是沿著車載乙太網路的100M為中心的內容來展開講解的，關於1G系統可能部份內容並不適用。我們研究車載乙太網路系統的物理結構構成，首先要明確的就是車載乙太網路屬於交換機結構下的星型系統，依靠交換機來完成組網工作，也就是常規CAN通訊結構中的星型結構,整個結構的中心是switch交換機，通常情況下CenterStack Module (CSM)在整個系統中充當交換機的角色；傳播介質是非遮蔽雙絞線；傳播距離較遠時需要中繼器來增強電訊號；專用塑件介面（PHY）替代常規乙太網路的RJ45的水晶介面；乙太網路的常規用途主要集中在現階段的ADAS系統的數據處理上，主要連線的sensor是camera（單雙目）、公釐波雷達（Radar）、雷射雷達（Lidar）以及V2X中的互聯網高速度的音視訊資訊。

基於對車載乙太網路的基礎的架構，我們要理解車載乙太網路的連線是點對點的連線，全雙工。對於乙太網路的傳輸方式也就有了一定的限制。對於滿足 100BASE-T1 PHY 的乙太網路通訊線最長是15m，中間的In-line塑件的最多是四個，具體的要求如下圖所示：

Figure 1：The segment of Ethernet 100M/s

以上資訊基本上展示了乙太網路結構的基本傳輸的物理框架，接下來的內容我們會對乙太網路的所有的內容展開敘述。

2.1 車載乙太網路——非遮蔽鉸股線（UTP）

對於初期的乙太網路設計的傳輸介質是同軸電纜，同軸電纜使用了電磁遮蔽原理，即線上纜的內外兩芯之間以及外芯和線皮分別納入一層鋁制的遮蔽網，從而遮蔽幹擾訊號（這實際上是最直接的方式，這是CSMA/CD這種分布式仲裁機制使然，車載通訊中Ethernet也選擇了新的協定型別規避了CSMA/CD，同軸電纜就是為匯流排型拓撲量身定做的線纜），事實證明這種遮蔽效果更好，然而也更昂貴，並且這種乙太網路在工業系統中得到推廣和套用，對於乙太網路的五類線、六類線甚至超六類線的不斷推出，導線的訊號遮蔽效果在不斷的提升但是車載系統與工業系統的不同以及空間、成本的限制，車載系統的通訊線最終還是選擇了雙絞線，雙絞線屬於一種小Trick，絕妙的點子，而且非常便宜，不添加任何資源，不主動遮蔽任何幹擾，而是靠讓不同的幹擾互相抵消的方式巧妙解決問題。雙絞線的傳輸方式註定了更低廉的造價以及更簡單的物理結構，利用差分電壓產生的電壓訊號編碼即可完成，車載乙太網路的傳輸就是完全依靠的雙絞線來完成的。100M使用非遮蔽單絞線，（本文的主要內容是按照100M的系統來介紹）。那我們開始詳細的講解一下遮蔽的雙絞線的具體內容。

2.1.1雙鉸股線的主要廠家和規格

現階段使用乙太網路骨架的OEM中，采購乙太網路的主要是以下三家：萊尼（LEONI）、尚普蘭（Champlain-US）、Gebauer & Griller-奧地利，當然國內的主要是萊尼，尚普蘭的導線曾經是TESLA的專供導線，奧地利的Gebauer& Griller不是很了解。

對於常規的乙太網路導線的阻抗的要求是在100Ω，The Ethernet bus wires shall be selected and designed to provide a differential characteristic impedance of 100 +5/-5 Ωasmeasured using Time Domain Reflectometry (TDR) with a rise time of 700 psec.The preferred impedance is 100 +/-3 Ω.

百兆車載乙太網路的線徑尺寸（Wire size）是0.35mm2,常規理論上傳輸的訊號頻率越高那麽導線之間的容抗性就會越來越明顯，這個時候就需要我們降低線徑來降低整個導線傳輸過程中的阻抗總量，但是降低線徑後對端子的壓接則提出了更高的要求，因此在千兆乙太網路的系統中導線的成本變化會成為成本上升的一個重要的方面。

導線的絕緣層的選擇和厚度，這部份我們稱之為Cable，Cable內部的金屬導體外加絕緣體，一般情況下我們是根據乙太網路線的特性阻抗來完成的選擇的，乙太網路cable的絕緣皮通常情況下聚丙烯和聚乙烯都是可以達標的，但是聚氯乙烯是不建議使用的。

對於雙絞線外部的 遮蔽層Shield、護套Sheath(Jacket)乙太網路系統中是不需要的，主要是基於成本上的考量。

對於雙絞線而言鉸股線的絞距則決定導線整體傳播過程中的訊號穩定性，越密集的鉸股會產生更穩定的傳輸訊號，同時成本也會提升，常規的鉸股線的絞距的設定如下所示：

Gebauer & Griller 「X6081」 pre-twisted2x0.35mm² UTP PP thin wall, 20 mm twist length
Leoni Cable 「 Dacar 624 」 pre-twisted 2x0.35mm²UTP PP thin wall, 13 mm twist length.
Champlain Cable 「 DATARAD 150 」 pre-twisted 0.35mm²UTP XLPO thin wall, 13 mm twist length.
Champlain Cable 「DATARAD JUTP, 15-08277」 2X 0.35.0mm2 BC, 125C Ethernet Cable class C, Thin wall, 150UT Primary, ErgoflexJacket

對於鉸股線的末端，塑件處的開線長度最多是30mm（當然是越短越好，開線長度也受限於鉸股機器），絞距理論上是在13~20mm，對於塑件末端的開線部份需要增加膠帶纏繞來固定鉸股狀態，理論上距離塑件末端超過10mm的都要膠帶固定，這就是我們現階段的車載乙太網路的物理導線的基本結構如下：

Figure 2：乙太網路鉸股線示意圖

備註： 現階段同一個Bundle上的相同長度的乙太網路線最多有三條，訊號不會發生跳線現象，而對於超過三根的實驗還沒有完成，因此不能確定。

對於塑件的選擇，正常情況下已經是塑件廠家需要考慮的問題，我們只是最一個基本的額規範的了解即可，他們對於孔位間距做了一個基礎的設定如下：

Device connectors shall utilize either0.50 mm terminals with a 2.0 mm pin to pin centerline spacing or 0.64 mm terminals with a 2.54mm pin to pin centerline spacing. Inline connectors shall utilize 1.2 mmterminals with a 2.54 mm pin to pin centerline spacing. those are sufficient for 100 Mbps speed, based on Ethernet cable assembly DFSStesting perform by GM with 2 inline connectors and a maximum of 10 meters totallength. However, the optimum and preferred pin to pin centerline spacing should be ~1.8 mm for any new connectordesign for Ethernet applications.

車載乙太網路設計中塑件孔位選擇方案：

塑件部份設定孔位距離的目的就是降低鉸股線開線的長度從而降低乙太網路線的阻抗關系。

常規設計過程中乙太網路的一組鉸股線應該設定在相鄰的兩個孔位位置上。

相鄰的兩對乙太網路在一個塑件上的設計應該是分布式的，常規情況下是呈現「之」字形分布，最起碼中間要相隔一個空位。這樣才能有效的避免兩對鉸股線之間的相互幹擾。

常規情況下乙太網路的回路對應孔位的水平或者垂直相鄰的孔位應該是空的，如果不能避免的話則相鄰孔位不應該是接地或者低電壓回路。

對於乙太網路線上杜絕超音波壓接點splice，超音波壓接是絕對要不應該存在在乙太網路線上的；回頭線loop結構也是要在乙太網路線上杜絕的，回頭線設計會造成乙太網路的EMC測試問題；乙太網路中對於扭結kink十分的敏感，因此轉彎的角度不能低於乙太網路線的線徑四倍的直徑。

IEEE802.3的要是最長不能超過15m，最多in-line塑件不能多於4個，但是我們實際的生產中為了保證通訊的穩定性以及增加安全系數的考慮，最長不應超過10m，in-line塑件最多不應該超過2個。

乙太網路在布線過程中不應該與其他比較敏感或者有擾動的線雜在一起，對於有訊號收發擾動的回路距離要大於10mm，比如天線ANTENNA；同時乙太網路布線的過程中也不應該穿過大電流湧動位置，距離要大於10mm，比如說Battery、REC、BEC、DC-DC和IEC等位置。