【汽車以太網(wǎng)測試】系列之二：確保新一代車載網(wǎng)絡(luò)的性能和一致性

對(duì)比汽車的過去、現(xiàn)在、將來，有一個(gè)明顯的趨勢：汽車已經(jīng)成為帶輪子的數(shù)據(jù)中心。在每輛汽車內(nèi)部，來自安全系統(tǒng)、車載傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)流量，以及對(duì)這些數(shù)據(jù)的依賴程度，都在不斷迅速增長。

這在速度、容量、可靠性方面給車載網(wǎng)絡(luò)(IVNs)帶來了重大影響，其中的影響之一是，在高速低時(shí)延應(yīng)用中，比如控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)、FlexRay、本地互連網(wǎng)(LIN)、面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)和單邊半波傳輸(SENT)之類的總線缺少所需的帶寬。結(jié)果，這些傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正逐漸被信息技術(shù)(IT)領(lǐng)域的先前已驗(yàn)證的技術(shù)所取代。

當(dāng)前的主要實(shí)例是汽車以太網(wǎng)，它覆蓋了電氣和電子工程師(IEEE)開發(fā)的四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。目前，汽車以太網(wǎng)將與涵蓋各種系統(tǒng)和子系統(tǒng)的多種總線共存。因此，我們需要不同的測試方法，來完成汽車和IVN的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、調(diào)試、排障、維護(hù)和保養(yǎng)。

發(fā)展趨勢：更多需求來自數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化和生命周期。

今天的汽車有超過八十個(gè)電子控制單元(ECUs)，CAN、LIN、FlexRay、MOST和SENT一直承載著這些ECU和各種機(jī)載系統(tǒng)之間的信息，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳輸、剎車、車身、懸架、信息娛樂系統(tǒng)等(圖1)。此外，蜂窩和非蜂窩無線技術(shù)正把外部數(shù)據(jù)流傳送到信息娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和交通信息系統(tǒng)。

圖1：在汽車系統(tǒng)中，不同的總線和數(shù)據(jù)速率提供了必要的通信功能。

處理更多的數(shù)據(jù)

在未來幾年中，我們預(yù)計(jì)每輛汽車中都會(huì)看到超過100個(gè)ECU，聯(lián)網(wǎng)的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)每天會(huì)承載幾TB數(shù)據(jù)。我們預(yù)計(jì)汽車將繼續(xù)采用CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay、SENT和MOST；但是，當(dāng)前頂端數(shù)據(jù)是FlexRay的10 Mbps及MOST的150 Mbps。當(dāng)然，想“走得更快”總是說易行難，業(yè)界普遍采用CAN總線要求進(jìn)行大規(guī)模重新設(shè)計(jì)，才能提供必要的速度、安全性和向下兼容能力。

隨著傳感器的數(shù)量越來越多，靈敏度越來越高，它們會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。可以想象，10~20個(gè)攝像頭，提供360度全景視圖，所有攝像頭都發(fā)送1080p (現(xiàn)在)或4K (將來)高清數(shù)據(jù)流，像素深度從16位提高到20位甚至24位。這些數(shù)字正在迅速疊加在一起：一個(gè)支持24位像素深度的4K攝像頭以每秒10-30幀的速率，生成每幀199 Mb的數(shù)據(jù)。盡管1 Gbps速率現(xiàn)在可能足夠了，但很快就需要10 Gbps (圖2)。

圖2：數(shù)量越來越多的傳感器和ECU之間需要更快的數(shù)據(jù)速率和更寬的帶寬。

目前，IVNs采用預(yù)處理硬件，在傳感器上執(zhí)行數(shù)據(jù)精簡(即壓縮)。遺憾的是，這會(huì)引入時(shí)延，影響響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)還會(huì)降低圖像質(zhì)量，從而限制可用的檢測距離。一個(gè)新興解決方案是以2 - 8 Gbps速率把原始數(shù)據(jù)傳送到集中式片上系統(tǒng)(SoCs)或通用處理單元(GPUs)，SoC或GPU可以對(duì)輸入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。IVNs正從扁平結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向域控制器結(jié)構(gòu)，在域控制器結(jié)構(gòu)中，傳感器會(huì)把原始數(shù)據(jù)傳送到中央處理單元。

所需的通信流量正在不斷擴(kuò)大，并隨著汽車到基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、汽車到汽車(V2V)和汽車到萬物(V2X)技術(shù)不斷演進(jìn)。所有這些都將在汽車操作和人機(jī)交互中發(fā)揮重要作用。

轉(zhuǎn)向汽車以太網(wǎng)

在汽車應(yīng)用中，優(yōu)化數(shù)據(jù)利用率要求更快的吞吐量、更低的時(shí)延、更高的可靠性及更高的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，以保證汽車的安全可靠運(yùn)行。隨著速度達(dá)到10 Gbps，汽車以太網(wǎng)將在承載高速數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮越來越大的作用，包括：IEEE 802.3cg, 10BASE-T1, 10 Mbps；IEEE 802.3bw, 100BASE-T1, 100 Mbps；IEEE 802.3bp, 1000BASE-T1, 1 Gbps；以及IEEE 802.3ch, 10GBASE-T1, 2.5/5/10 Gbps。

考慮到可用的數(shù)據(jù)速率及對(duì)這些性能的需求不斷增長，另外需要降低線纜重量，許多業(yè)界觀察人員在預(yù)測汽車以太網(wǎng)的發(fā)展及聯(lián)網(wǎng)的車載節(jié)點(diǎn)數(shù)量時(shí)均非常樂觀。

標(biāo)準(zhǔn)化：獲得全新商業(yè)優(yōu)勢

在整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展史上，長期以來有一種既定的作法沒有改變，那就是標(biāo)準(zhǔn)化。這種作法仍將適用，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化提供了許多重要優(yōu)勢，比如加劇了各廠商之間的競爭，降低了元器件成本，保證了互操作能力。

總線拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)速率對(duì)比

在考慮不同的總線時(shí)，每種總線對(duì)應(yīng)的最大數(shù)據(jù)速率及其支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋停瑘D3匯總了部分?jǐn)?shù)據(jù)。汽車以太網(wǎng)還增加了“交換式織物”功能，以在局域網(wǎng)(LANs)中實(shí)現(xiàn)有效的性能。它結(jié)合使用硬件和軟件，使用多臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)，控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的業(yè)務(wù)?？椢锞W(wǎng)絡(luò)識(shí)別其所有路徑、節(jié)點(diǎn)、要求和資源。在這種架構(gòu)內(nèi)，可用的地址空間為224個(gè)，可以連接最多1600萬個(gè)節(jié)點(diǎn)或設(shè)備。

在新一代IVN領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)例包括汽車以太網(wǎng)、MIPI A-PHY和HDBaseT汽車。通過采用IT領(lǐng)域經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，汽車行業(yè)將獲得明顯的全新商業(yè)優(yōu)勢，因?yàn)槲磥淼钠囌兂蓭л喿拥臄?shù)據(jù)中心。

圖3：主要汽車總線特別適合特定距離的任務(wù)，但其通用性也因此弱于基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。

生命周期：從開發(fā)到保養(yǎng)

隨著汽車的自主度越來越高，系統(tǒng)故障導(dǎo)致的后果也變得越來越嚴(yán)重。為幫助保證這些系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，車載網(wǎng)絡(luò)測試在整個(gè)汽車生命周期中的重要性在不斷上升(圖4)。因此，審慎地選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具和IVN測試解決方案，滿足汽車生命周期所有不同階段的需求，將給一級(jí)供應(yīng)商、汽車OEM及汽車最終用戶帶來深入的優(yōu)勢。

圖4：車載網(wǎng)絡(luò)測試在整個(gè)汽車生命周期中的重要性在不斷上升。

多維挑戰(zhàn)：并排測試多條總線

今天，汽車正采用各種同時(shí)運(yùn)行的通信總線。因此，系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)試變得非常困難，耗時(shí)也很長。并行使用所有這些技術(shù)，而且是在車輛有限的空間內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致電磁干擾(EMI)、信號(hào)質(zhì)量差，并可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵系統(tǒng)故障。

測試車載網(wǎng)絡(luò)要求在整個(gè)車輛中進(jìn)行可靠性校驗(yàn)，包括互操作能力、抗干擾能力、串?dāng)_和干擾源。檢驗(yàn)運(yùn)行功能和通信可靠性將涵蓋汽車內(nèi)部每一個(gè)ECU管理的連接總線的系統(tǒng)(圖5)。隨著汽車的數(shù)據(jù)密集度越來越高，測試對(duì)保證生命周期所有階段的安全可靠運(yùn)行變得至關(guān)重要，包括開發(fā)、驗(yàn)證、生產(chǎn)、維護(hù)和保養(yǎng)。

圖5：采用以太網(wǎng)作為各個(gè)系統(tǒng)通信的中央樞紐，目前這些系統(tǒng)均依賴各種專用總線。

測試挑戰(zhàn)#1：調(diào)試總線問題

CAN、LIN和FlexRay均是相對(duì)成熟的總線協(xié)議，設(shè)計(jì)目標(biāo)是強(qiáng)健、容易集成。即便如此，車載通信可能仍會(huì)受到噪聲、電路板布線及啟動(dòng)/關(guān)閉定時(shí)的影響，產(chǎn)生總線錯(cuò)誤過多及鎖定等問題。CAN、LIN和FlexRay的常見問題包括排除信號(hào)問題，調(diào)試解碼后的協(xié)議，了解多條通道、傳感器和激勵(lì)器。在SENT中，很難先配置示波器解碼快速和低速通道SENT消息，然后再觸發(fā)解碼后的信息。

如前所述，多條總線在汽車封閉的空間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行，可能會(huì)產(chǎn)生EMI，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量差。預(yù)一致性測試可以幫助您隔離和識(shí)別信號(hào)質(zhì)量問題和總線性能問題的成因，另外還可以改善針對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通過EMI和電磁兼容性(EMC)正式測試的能力，如CISPR 12、CISPR 25、EN 55013、EN 55022 (被EN 55032替代)和CFR Title 47, Part 15。

測試挑戰(zhàn)#2：檢驗(yàn)電氣一致性

保證汽車之間及汽車內(nèi)部可靠的低時(shí)延數(shù)據(jù)流，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。與CAN、 LIN等不同，汽車以太網(wǎng)擁有IEEE和OPEN聯(lián)盟規(guī)定的一套復(fù)雜的一致性測試，包括各種電氣要求，以確保滿足標(biāo)準(zhǔn)。這些測試通常在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和生產(chǎn)過程中執(zhí)行。在汽車以太網(wǎng)中，物理(PHY)層電氣測試覆蓋發(fā)射機(jī)/接收機(jī)（收發(fā)機(jī)）性能的多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。這些測量的具體目標(biāo)，是測試物理介質(zhì)連接（PMA）相對(duì)于各種電氣參數(shù)據(jù)的一致性。

測試挑戰(zhàn)#3：驗(yàn)證協(xié)議一致性和系統(tǒng)性能

汽車以太網(wǎng)采用全雙工操作，因此鏈接的兩臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)共享網(wǎng)絡(luò)相比，這提供了三個(gè)相關(guān)優(yōu)勢：第一，兩臺(tái)設(shè)備可以一次收發(fā)數(shù)據(jù)，而不是輪流收發(fā)數(shù)據(jù)；第二，系統(tǒng)的總帶寬要更大；第三，全雙工可以在不同的設(shè)備對(duì)（如主設(shè)備和從設(shè)備）之間同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)會(huì)話。

除了這些復(fù)雜情況外，汽車工程師還面臨著另一項(xiàng)挑戰(zhàn)：采用PAM3信令進(jìn)行全雙工通信，使其很難先查看汽車以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，然后再全面表征信號(hào)完整性。如果想在鏈路上執(zhí)行信號(hào)完整性分析，并在真實(shí)系統(tǒng)環(huán)境中解碼協(xié)議(使用示波器)，設(shè)計(jì)人員必需分開查看每條鏈路，這要求先隔離信號(hào)，然后才能執(zhí)行分析。

測試挑戰(zhàn)#4：獲得排障和調(diào)試所需信息

不管問題是總線性能、EMI、電氣一致性還是協(xié)議一致性，都有兩個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)決定著信號(hào)質(zhì)量，進(jìn)而決定數(shù)據(jù)性能，那就是幅度和定時(shí)。這兩個(gè)指標(biāo)精確運(yùn)行，對(duì)保證數(shù)字信息透過總線成功傳輸必不可少。由于總線速度越來越快，信號(hào)調(diào)制技術(shù)越來越復(fù)雜（如PAM3），這一點(diǎn)也變得越來越困難。示波器是首選的測量工具，但如果沒有足夠的頻率覆蓋范圍、通道數(shù)、附件和屏幕分析功能，排障和調(diào)試過程可能會(huì)變得異常繁瑣耗時(shí)。

解決方案：借助標(biāo)準(zhǔn)化的力量

如前所述，標(biāo)準(zhǔn)化是汽車行業(yè)長期來既定的一種作法。以史為鑒，這一概念也可以用來為IVN測試選擇解決方案。標(biāo)準(zhǔn)化通過采用統(tǒng)一的測試方法，可以幫助您管理測試成本。例如，選擇能夠簡便適應(yīng)更高速度的測試平臺(tái)，可以讓您提高測試測量解決方案的資金利用率。

在現(xiàn)實(shí)世界中，我們需要考慮汽車及機(jī)載系統(tǒng)在整個(gè)生命周期中不同的職責(zé)劃分。如果沒有統(tǒng)一的戰(zhàn)略，那么常見的作法會(huì)導(dǎo)致不同部門之間隨意使用測試硬件和軟件，最終積重難返。讓我們更仔細(xì)地考查一下解決方案中哪些一般特點(diǎn)和具體特點(diǎn)可以幫助您降低測試成本，同時(shí)保證在汽車的整個(gè)生命周期中實(shí)現(xiàn)一致的結(jié)果。

泰克解決方案揭秘

泰克與汽車行業(yè)工程師、第三方解決方案提供商和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)密切合作，為車載網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證、調(diào)試和一致性測試研制出各種創(chuàng)新解決方案。泰克解決方案包括行業(yè)領(lǐng)先的示波器、探頭、信號(hào)源、頻譜分析儀和軟件。通過為應(yīng)用優(yōu)化的軟件解決方案，這些解決方案可以配置成測試CAN、CAN-FD、FlexRay、LIN、SENT、汽車以太網(wǎng)等總線。泰克應(yīng)用軟件提供了高級(jí)分析功能，通過自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種規(guī)程、測量和報(bào)告編制工作，節(jié)省了工程師的時(shí)間。圖6概括介紹了泰克解決方案，其在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域滿足了測試和分析需求：信號(hào)質(zhì)量，PMA發(fā)射機(jī)一致性測試，專用總線。

圖6：可以為車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用簡便創(chuàng)建適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

展望未來，泰克已經(jīng)宣布支持HDBaseT聯(lián)盟。我們將與其開發(fā)者Valens一道，提供一致性測試和協(xié)議分析解決方案。HDBaseT汽車可以使用稱為隧道的技術(shù)，承載音頻、視頻、以太網(wǎng)、USB、PCIe等信息。在本質(zhì)上，隧道技術(shù)把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)數(shù)字“包裝”中，沿著常駐協(xié)議傳送到預(yù)計(jì)目的地，然后再以原來的形式拆包處理。HDBaseT汽車通過一條UTP電纜（最長50英尺或15米）提供幾GB速率的原生網(wǎng)絡(luò)功能，同時(shí)滿足了汽車領(lǐng)域嚴(yán)格的EMC要求。

確保現(xiàn)代汽車之間及內(nèi)部可靠的低時(shí)延數(shù)據(jù)流量，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。由于當(dāng)前及未來汽車設(shè)計(jì)中使用的總線數(shù)量不斷攀升，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)正變得越來越困難。泰克及其解決方案合作伙伴創(chuàng)造出統(tǒng)一的車載網(wǎng)絡(luò)測試方法。在所有主要IVN中及在整個(gè)汽車生命周期中，我們可以幫助您及您的團(tuán)隊(duì)把新設(shè)計(jì)更快地投入生產(chǎn)，加快驗(yàn)證測試，增強(qiáng)一致性測試，優(yōu)化生產(chǎn)測試，簡化服務(wù)和維修后測試。最終結(jié)果，可以大大增強(qiáng)您滿足成本和時(shí)間表的能力。