汽车以太网交换机的设计

admin 2022年12月31日00:51:40评论30 views字数 3048阅读10分9秒阅读模式

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01.以太网 AVB协议

以太网 AVB面向音视频或多媒体等方面应用,主要用于解决音视频多媒体数据流实时传输与同步问题,可应用于 360环视系统。以太网 AVB协议不仅扩展到传统以太网功能上,并且与现有以太网的协议体系完全兼容,通过保障带宽,限制延迟和精确时钟同步,提供稳定的实时音视频传输。适用于汽车级的 IEEE 802.1 AVB协议的基础体系有 4个:

- 精准时间同步协议( PTP):IEEE 802.1AS;

- 流预留协议( SRP):IEEE 802.1Qat;

- 队列及转发协议( Qav):IEEE 802.1Qav;

- 音视频桥接传输协议(AVTP):IEEE 1722。

无压缩的原始视频数据流经由 AVTP协议进行打包,填充由 SRP保留的流 ID,打上 PTP产生的时间戳以及媒体类型等相关信息,通过 AVTP专用的以太网帧类型进行组播,由发送端发出,经 AVB交换机进行转发,再被注册过此多媒体数据流的接收端接收并解码然后输出。


02.88Q5050芯片性能及主要技术特点

设计选用 2片 Marvell的 88Q5050以太网交换机芯片,视频传输采用 Marvell的千兆 PHY芯片 88Q2112。其结构如图 1所示。

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图 1车载以太网交换机结构框图 

88Q5050是一款汽车级的 8端口以太网交换芯片,可以支持 8端口的 IEEE 100BASE⁃T1,100⁃BASE⁃TX, RGMII /RMII/MII和 SGMII端口的组合配置,其核心为支持 1 000 Mb/s的 MAC端口。集成在芯片中的 PHY和MAC完全符合 IEEE 802.3使用标准, PHY功能下的 IEEE 100BASE⁃T1符合 OPEN联盟的 OABR标准。芯片的 MAC控制器支持 IEEE 1588v2协议,满足实现 AVB协议的基本硬件条件。88Q5050芯片结构框图如图 2所示。


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图 2 88Q5050芯片结构框图 

88Q2112是目前市场上推出的唯一一款汽车级 1000 BASE⁃T1以太网 PHY收发器,支持 IEEE 802.3bw和 IEEE 802.3bp协议定义的 100/1000 BASE⁃T1的以太网物理层部分,并能实现单对非屏蔽双绞线发送和接收数据。芯片支持 GMII,RGMII和 SGMII直接连接交换机的 MAC端口。除了能满足汽车级严格的 EMI要求外, 88Q2112还支持在车内传送未压缩的 720p30摄像头视频。

03.系统硬件设计

系统硬件主要由以太网交换电路和 CPU控制模块组成。 

以太网交换电路

交换电路采用交换机芯片 88Q5050,该芯片提供 4个固定的 100BASE⁃T1端口,端口 1~4;端口 5~7可配置为 PHY或 SERDES端口;端口 8可配置为 RGMII端口。表 1列出了可以为 88Q5050芯片端口配置的可能的接口组合,总共有 5个。xMII表示 MII/RMII/RGMII。

在本文设计电路中,使用表 1中的前两种配置。第一片芯片的端口 5和 8和第二片芯片的端口 5配置成使用 RGMII协议的接口模式,与外部的 88Q2112芯片构成千兆网子模块,对外构成 3路千兆网;而第二片芯片的端口 8配置为 RGMII接口,与 CPU的千兆口相连作为控制模块数据传输通道。

另外,两片交换芯片的端口 7被配置为用于芯片间级联的 RGMII接口模式,并且两片以太网交换芯片通过该接口连接,扩展成为更强大的以太网交换模块。两片88Q5050芯片的端口 1~4配置成 100 Mb/s快速以太网端口进行级联, 8路总和为 800 Mb/s。两片芯片的 2个端口 6也配置成 100 Mb/s的物理接口。因此整个交换网络的数据流量能够达到 1 000 Mb/s,从而能够满足千兆视频传输的要求。

表 1 88Q5050芯片端口配置组合 

端口 1~4 端口 5 端口 6 端口 7 端口 8
100BASE⁃T1 100BASE⁃T1 100BASE⁃Tx SGMII xMII/GMII
100BASE⁃T1 xMII 100BASE⁃Tx SGMII xMII
100BASE⁃T1 100BASE⁃T1 xMII SGMII xMII
100BASE⁃T1 100BASE⁃T1 100BASE⁃Tx xMII xMII
100BASE⁃T1 100BASE⁃T1 100BASE⁃Tx SGMII GMII

千兆

PHY电路

与交换芯片外接的千兆 PHY芯片 88Q2112,其 MAC接口配置为 RGMII模式和 88Q5050的端口 5和 8相连。同时, 88Q2112的电接口外接连接器构成一个完整的千兆网口。

CPU控制模块

 设计选用恩智浦的 IMX6Q开发板为处理平台,其集成的 MAC控制器支持通过指定 PHY扩展 OABR接口,具有强大的图形加速和处理能力,完全满足环视系统要求。 IMX6Q通过 MMDC实现 DDR内存的扩展,其可以支持 DDR3/DDR3L x16/x32/x64和 LPDDR2双通道 x16/x32内存颗粒,最高时钟可以达到 528 MHz。其非易失存储区通过 MICRON公司的一款型号为 MTFC8GLCDM的 SDIO接口的 eMMC存储器实现,其容量大小为 8 GB,支撑控制模块在 ubuntu操作系统的正常运行,以及功能软件的安装使用。 IMX6Q配套使用的专用电源管理芯片具有 14路可配置的电源通道,支撑了设计中的各外围器件的电源使用。

IMX6Q处理器自带的以太网控制器对外引出 MAC层接口可提供 RGMII,MII,RMII等多种连接方式。设计使用 RGMII接口 MAC模式与交换机的端口 8的 PHY进行连接,实现了千兆的网络传输。其接口框图如图 3所示。

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图 3 88Q5050接口框图

04.以太网交换机测试结果

车载以太网交换机测试主要进行网络带宽测试验证。测试环境包括两台 PC机和交换机, PC机需要安装 iperf网络测试软件。其中一台 PC机作为发送端发送数据流,另一台作为接收端接收数据,连接交换机监控数据进行测试验证。测试结果如图 4所示。

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图 4带宽测试结果 

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