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

對比汽車(chē)的過(guò)去、現在、將來(lái)，有一個(gè)明顯的趨勢：汽車(chē)已經(jīng)成為帶輪子的數據中心。在每輛汽車(chē)內部，來(lái)自安全系統、車(chē)載傳感器、導航系統等的數據流量，以及對這些數據的依賴(lài)程度，都在不斷迅速增長(cháng)。

這在速度、容量、可靠性方面給車(chē)載網(wǎng)絡(luò )(IVNs)帶來(lái)了重大影響，其中的影響之一是，在高速低時(shí)延應用中，比如控制區域網(wǎng)(CAN)、FlexRay、本地互連網(wǎng)(LIN)、面向媒體的系統傳輸(MOST)和單邊半波傳輸(SENT)之類(lèi)的總線(xiàn)缺少所需的帶寬。結果，這些傳統標準正逐漸被信息技術(shù)(IT)領(lǐng)域的先前已驗證的技術(shù)所取代。

當前的主要實(shí)例是汽車(chē)以太網(wǎng)，它覆蓋了電氣和電子工程師(IEEE)開(kāi)發(fā)的四項標準。目前，汽車(chē)以太網(wǎng)將與涵蓋各種系統和子系統的多種總線(xiàn)共存。因此，我們需要不同的測試方法，來(lái)完成汽車(chē)和IVN的設計、驗證、調試、排障、維護和保養。

發(fā)展趨勢：更多需求來(lái)自數據、以太網(wǎng)、標準化和生命周期。

今天的汽車(chē)有超過(guò)八十個(gè)電子控制單元(ECUs)，CAN、LIN、FlexRay、MOST和SENT一直承載著(zhù)這些ECU和各種機載系統之間的信息，比如發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系統、傳輸、剎車(chē)、車(chē)身、懸架、信息娛樂(lè )系統等(圖1)。此外，蜂窩和非蜂窩無(wú)線(xiàn)技術(shù)正把外部數據流傳送到信息娛樂(lè )系統、導航系統和交通信息系統。

圖1：在汽車(chē)系統中，不同的總線(xiàn)和數據速率提供了必要的通信功能。

處理更多的數據

在未來(lái)幾年中，我們預計每輛汽車(chē)中都會(huì )看到超過(guò)100個(gè)ECU，聯(lián)網(wǎng)的車(chē)內網(wǎng)絡(luò )每天會(huì )承載幾TB數據。我們預計汽車(chē)將繼續采用CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay、SENT和MOST；但是，當前頂端數據是FlexRay的10 Mbps及MOST的150 Mbps。當然，想“走得更快”總是說(shuō)易行難，業(yè)界普遍采用CAN總線(xiàn)要求進(jìn)行大規模重新設計，才能提供必要的速度、安全性和向下兼容能力。

隨著(zhù)傳感器的數量越來(lái)越多，靈敏度越來(lái)越高，它們會(huì )產(chǎn)生龐大的數據?？梢韵胂?，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 (現在)或4K (將來(lái))高清數據流，像素深度從16位提高到20位甚至24位。這些數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的數據。盡管1 Gbps速率現在可能足夠了，但很快就需要10 Gbps (圖2)。

圖2：數量越來(lái)越多的傳感器和ECU之間需要更快的數據速率和更寬的帶寬。

目前，IVNs采用預處理硬件，在傳感器上執行數據精簡(jiǎn)(即壓縮)。遺憾的是，這會(huì )引入時(shí)延，影響響應時(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速率把原始數據傳送到集中式片上系統(SoCs)或通用處理單元(GPUs)，SoC或GPU可以對輸入的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行壓縮。IVNs正從扁平結構轉向域控制器結構，在域控制器結構中，傳感器會(huì )把原始數據傳送到中央處理單元。

所需的通信流量正在不斷擴大，并隨著(zhù)汽車(chē)到基礎設施(V2I)、汽車(chē)到汽車(chē)(V2V)和汽車(chē)到萬(wàn)物(V2X)技術(shù)不斷演進(jìn)。所有這些都將在汽車(chē)操作和人機交互中發(fā)揮重要作用。

轉向汽車(chē)以太網(wǎng)

在汽車(chē)應用中，優(yōu)化數據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(chē)的安全可靠運行。隨著(zhù)速度達到10 Gbps，汽車(chē)以太網(wǎng)將在承載高速數據通信方面發(fā)揮越來(lái)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。

考慮到可用的數據速率及對這些性能的需求不斷增長(cháng)，另外需要降低線(xiàn)纜重量，許多業(yè)界觀(guān)察人員在預測汽車(chē)以太網(wǎng)的發(fā)展及聯(lián)網(wǎng)的車(chē)載節點(diǎn)數量時(shí)均非常樂(lè )觀(guān)。

標準化：獲得全新商業(yè)優(yōu)勢

在整個(gè)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展史上，長(cháng)期以來(lái)有一種既定的作法沒(méi)有改變，那就是標準化。這種作法仍將適用，因為標準化提供了許多重要優(yōu)勢，比如加劇了各廠(chǎng)商之間的競爭，降低了元器件成本，保證了互操作能力。

總線(xiàn)拓撲和數據速率對比

在考慮不同的總線(xiàn)時(shí)，每種總線(xiàn)對應的最大數據速率及其支持的網(wǎng)絡(luò )拓撲類(lèi)型，圖3匯總了部分數據。汽車(chē)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)現有效的性能。它結合使用硬件和軟件，使用多臺以太網(wǎng)交換機，控制網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的業(yè)務(wù)?？椢锞W(wǎng)絡(luò )識別其所有路徑、節點(diǎn)、要求和資源。在這種架構內，可用的地址空間為224個(gè)，可以連接最多1600萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)或設備。

在新一代IVN領(lǐng)域，標準化實(shí)例包括汽車(chē)以太網(wǎng)、MIPI A-PHY和HDBaseT汽車(chē)。通過(guò)采用IT領(lǐng)域經(jīng)過(guò)驗證的技術(shù)，汽車(chē)行業(yè)將獲得明顯的全新商業(yè)優(yōu)勢，因為未來(lái)的汽車(chē)正變成帶輪子的數據中心。

圖3：主要汽車(chē)總線(xiàn)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(kāi)發(fā)到保養

隨著(zhù)汽車(chē)的自主度越來(lái)越高，系統故障導致的后果也變得越來(lái)越嚴重。為幫助保證這些系統安全可靠地運行，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )測試在整個(gè)汽車(chē)生命周期中的重要性在不斷上升(圖4)。因此，審慎地選擇系統設計工具和IVN測試解決方案，滿(mǎn)足汽車(chē)生命周期所有不同階段的需求，將給一級供應商、汽車(chē)OEM及汽車(chē)最終用戶(hù)帶來(lái)深入的優(yōu)勢。

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

多維挑戰：并排測試多條總線(xiàn)

今天，汽車(chē)正采用各種同時(shí)運行的通信總線(xiàn)。因此，系統優(yōu)化和調試變得非常困難，耗時(shí)也很長(cháng)。并行使用所有這些技術(shù)，而且是在車(chē)輛有限的空間內，會(huì )導致電磁干擾(EMI)、信號質(zhì)量差，并可能會(huì )導致關(guān)鍵系統故障。

測試車(chē)載網(wǎng)絡(luò )要求在整個(gè)車(chē)輛中進(jìn)行可靠性校驗，包括互操作能力、抗干擾能力、串擾和干擾源。檢驗運行功能和通信可靠性將涵蓋汽車(chē)內部每一個(gè)ECU管理的連接總線(xiàn)的系統(圖5)。隨著(zhù)汽車(chē)的數據密集度越來(lái)越高，測試對保證生命周期所有階段的安全可靠運行變得至關(guān)重要，包括開(kāi)發(fā)、驗證、生產(chǎn)、維護和保養。

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

測試挑戰#1：調試總線(xiàn)問(wèn)題

CAN、LIN和FlexRay均是相對成熟的總線(xiàn)協(xié)議，設計目標是強健、容易集成。即便如此，車(chē)載通信可能仍會(huì )受到噪聲、電路板布線(xiàn)及啟動(dòng)/關(guān)閉定時(shí)的影響，產(chǎn)生總線(xiàn)錯誤過(guò)多及鎖定等問(wèn)題。CAN、LIN和FlexRay的常見(jiàn)問(wèn)題包括排除信號問(wèn)題，調試解碼后的協(xié)議，了解多條通道、傳感器和激勵器。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(xiàn)在汽車(chē)封閉的空間內同時(shí)運行，可能會(huì )產(chǎn)生EMI，導致信號質(zhì)量差。預一致性測試可以幫助您隔離和識別信號質(zhì)量問(wèn)題和總線(xiàn)性能問(wèn)題的成因，另外還可以改善針對相關(guān)標準通過(guò)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#2：檢驗電氣一致性

保證汽車(chē)之間及汽車(chē)內部可靠的低時(shí)延數據流，對整個(gè)系統的安全運行至關(guān)重要。與CAN、 LIN等不同，汽車(chē)以太網(wǎng)擁有IEEE和OPEN聯(lián)盟規定的一套復雜的一致性測試，包括各種電氣要求，以確保滿(mǎn)足標準。這些測試通常在設計、驗證和生產(chǎn)過(guò)程中執行。在汽車(chē)以太網(wǎng)中，物理(PHY)層電氣測試覆蓋發(fā)射機/接收機（收發(fā)機）性能的多個(gè)關(guān)鍵指標。這些測量的具體目標，是測試物理介質(zhì)連接（PMA）相對于各種電氣參數據的一致性。

測試挑戰#3：驗證協(xié)議一致性和系統性能

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

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

測試挑戰#4：獲得排障和調試所需信息

不管問(wèn)題是總線(xiàn)性能、EMI、電氣一致性還是協(xié)議一致性，都有兩個(gè)基礎指標決定著(zhù)信號質(zhì)量，進(jìn)而決定數據性能，那就是幅度和定時(shí)。這兩個(gè)指標精確運行，對保證數字信息透過(guò)總線(xiàn)成功傳輸必不可少。由于總線(xiàn)速度越來(lái)越快，信號調制技術(shù)越來(lái)越復雜（如PAM3），這一點(diǎn)也變得越來(lái)越困難。示波器是首選的測量工具，但如果沒(méi)有足夠的頻率覆蓋范圍、通道數、附件和屏幕分析功能，排障和調試過(guò)程可能會(huì )變得異常繁瑣耗時(shí)。

解決方案：借助標準化的力量

如前所述，標準化是汽車(chē)行業(yè)長(cháng)期來(lái)既定的一種作法。以史為鑒，這一概念也可以用來(lái)為IVN測試選擇解決方案。標準化通過(guò)采用統一的測試方法，可以幫助您管理測試成本。例如，選擇能夠簡(jiǎn)便適應更高速度的測試平臺，可以讓您提高測試測量解決方案的資金利用率。

在現實(shí)世界中，我們需要考慮汽車(chē)及機載系統在整個(gè)生命周期中不同的職責劃分。如果沒(méi)有統一的戰略，那么常見(jiàn)的作法會(huì )導致不同部門(mén)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(chē)的整個(gè)生命周期中實(shí)現一致的結果。

泰克解決方案揭秘

泰克與汽車(chē)行業(yè)工程師、第三方解決方案提供商和標準機構密切合作，為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )驗證、調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、信號源、頻譜分析儀和軟件。通過(guò)為應用優(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(chē)以太網(wǎng)等總線(xiàn)。泰克應用軟件提供了高級分析功能，通過(guò)自動(dòng)實(shí)現各種規程、測量和報告編制工作，節省了工程師的時(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(mǎn)足了測試和分析需求：信號質(zhì)量，PMA發(fā)射機一致性測試，專(zhuān)用總線(xiàn)。

圖6：可以為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )應用簡(jiǎn)便創(chuàng )建適當的解決方案。

展望未來(lái)，泰克已經(jīng)宣布支持HDBaseT聯(lián)盟。我們將與其開(kāi)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(chē)可以使用稱(chēng)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)數據封裝在一個(gè)數字“包裝”中，沿著(zhù)常駐協(xié)議傳送到預計目的地，然后再以原來(lái)的形式拆包處理。HDBaseT汽車(chē)通過(guò)一條UTP電纜（最長(cháng)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(mǎn)足了汽車(chē)領(lǐng)域嚴格的EMC要求。

確?，F代汽車(chē)之間及內部可靠的低時(shí)延數據流量，對整個(gè)系統的安全可靠運行至關(guān)重要。由于當前及未來(lái)汽車(chē)設計中使用的總線(xiàn)數量不斷攀升，實(shí)現這一目標正變得越來(lái)越困難。泰克及其解決方案合作伙伴創(chuàng )造出統一的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )測試方法。在所有主要IVN中及在整個(gè)汽車(chē)生命周期中，我們可以幫助您及您的團隊把新設計更快地投入生產(chǎn)，加快驗證測試，增強一致性測試，優(yōu)化生產(chǎn)測試，簡(jiǎn)化服務(wù)和維修后測試。最終結果，可以大大增強您滿(mǎn)足成本和時(shí)間表的能力。