【坐享“騎”成】系列之二：以太網(wǎng)車(chē)載節點(diǎn)暴增，并排多條總線(xiàn)測試面臨四大挑戰

對比過(guò)去、現在、將來(lái)的汽車(chē)，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、機載傳感器、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)。 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。

圖 1. 傳感器與 ECU 數量越來(lái)越多，需要更快的數據速率和更寬的帶寬

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10Gbps。

目前，IVNs采用預處理硬件，在傳感器上執行數據精簡(jiǎn)。遺憾的是，這會(huì )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。

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；

?   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)。

汽車(chē)以太網(wǎng)概念是由 OPEN 聯(lián)盟 SIG 提出來(lái)的，也 叫 IEEE 802.3bw ( 原 BroadR-Reach)，是為汽車(chē)聯(lián) 網(wǎng)應用設計的一種以太網(wǎng)物理層標準，如高級安全功 能、舒適和信息娛樂(lè )功能。通過(guò)汽車(chē)以太網(wǎng)，多個(gè)車(chē) 載系統可以經(jīng)過(guò)一條非屏蔽單絞線(xiàn)電纜同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)信 息。對汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)降低了聯(lián)網(wǎng)成本和 線(xiàn)纜重量，同時(shí)提高了信號帶寬。

為實(shí)現更高的信號帶寬，汽車(chē)以太網(wǎng)在雙絞線(xiàn)電纜上采用全雙工通信鏈路，支持同時(shí)收發(fā)功能及 PAM3信令。采和PAM3實(shí)現全雙工通信，可能會(huì )令查看汽車(chē) 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)及信號完整性測試變得非常復雜。

OPEN 聯(lián)盟為元器件、信道和互操作能力制訂了汽 車(chē)以太網(wǎng)測試規范。測試系統整合了電子控制單元 (ECU)、連接器和非雙絞線(xiàn)電纜。測試要求系統在車(chē)內苛刻的環(huán)境條件和噪聲條件下工作。為此，用戶(hù)必需 能夠在系統級表征和查看信號完整性和業(yè)務(wù)，才能執 行可靠性測試。

客戶(hù)需要在系統級進(jìn)行信號完整性測試的應用實(shí)例有：

?  TC8 信號質(zhì)量測試

?  ECU 元器件表征和測試

?  汽車(chē)以太網(wǎng)電纜、連接器、電纜長(cháng)度和路由表征和 測試

?  電磁噪聲或高斯噪聲測試

?  大電流注入測試

?  生產(chǎn)單元測試

?  汽車(chē)系統對汽車(chē)以太網(wǎng)性能的影響 - DC 馬達開(kāi) / 關(guān) - 發(fā)動(dòng)機開(kāi) / 關(guān)

?  汽車(chē)以太網(wǎng)系統調試

建議在設計階段執行信號完整性測試，在系統整合前 確定潛在的問(wèn)題。

圖2. 汽車(chē)以太網(wǎng)全雙工通信鏈條

挑戰：并排測試多條總線(xiàn)

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 ( 下圖 )。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 3. 車(chē)內網(wǎng)絡(luò )結構示例

測試挑戰 #1：調試總線(xiàn)問(wèn)題

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。 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。汽車(chē)以太網(wǎng)擁有 IEEE 和 OPEN 聯(lián)盟規定的一套復雜的合規測試，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，如下表所示。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。

圖 4. 100/1000BASE-T1 電氣測試列表

測試挑戰 #3： 驗證協(xié)議合規性和系統性能

汽車(chē)以太網(wǎng)采用稱(chēng)為三電平PAM或PAM3的技術(shù)， 在相同的時(shí)鐘頻率上實(shí)現更高的數據速率。在 PAM3 中，每個(gè)電平必須在特定電壓及相對緊張的容限范圍內運行。 這些信號可能會(huì )相當復雜，但基于示波器的眼圖測量可以以目視的方式，有效確定相對于信號編碼要求的信號性能 ( 即協(xié)議測試 )。眼圖的關(guān)鍵指標是眼高、眼寬、線(xiàn)性度和厚度 ( 下圖 )。這些指標綜合起來(lái)， 提供了實(shí)用信息，表明信號可以多么正確可靠地提供 編碼信息。

圖 5. 累計眼圖為在一個(gè)或多個(gè)周期上查看和表征多電平信號提供了有效途徑

還要指出的是，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。

圖 6. 實(shí)際車(chē)載以太網(wǎng)信號，主從信號無(wú)法分開(kāi)

節點(diǎn)間的可靠通信對汽車(chē)運行至關(guān)重要。正因如此，我們強烈推薦在各種環(huán)境條件下，包括不同的電纜長(cháng)度、注入噪聲等，在系統級測試信號完整性和協(xié)議。

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。 在開(kāi)始調試時(shí)，有六個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，其根本原因通常也 是眾所周知：

?   幅度問(wèn)題：振鈴，頂降，欠幅脈沖

?   邊沿畸變：電路板布線(xiàn)問(wèn)題，端接不當，電路問(wèn)題

?   反射：電路板布線(xiàn)問(wèn)題，端接不當

?   串擾：信號耦合，EMI

?   地電平彈跳：吸收電流過(guò)多，電源和地面回路內阻

?   抖動(dòng)：噪聲，串擾，定時(shí)不穩定

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)。

泰克汽車(chē)以太網(wǎng)解決方案

標準化一致性測試

泰克科技致力與車(chē)內網(wǎng)絡(luò )的前沿標準工作及一致性測 試。 在 IEEE、Open Alliance、HD-BASE 聯(lián) 盟 及 MIPI A-PHY 等等標準組織中都積極參與并提供業(yè)內 領(lǐng)先的解決方案。下表給出了一致性測試速查表：

表格 1 汽車(chē)以太網(wǎng)一致性測試速查表

系統級信號完整性：查看真實(shí)信號

要在單對雙絞線(xiàn)上分離汽車(chē)以太網(wǎng)的主從信號有兩種方法：

1. 定向耦合器方法

要求用戶(hù)斷開(kāi)或剪斷汽車(chē)以太網(wǎng)電纜，插入定向耦合 器來(lái)分隔和測試信號。這種方法在以最小干擾實(shí)現準 確測試方面本身存在著(zhù)缺陷。在系統級剪斷電纜并不 是一件易事，因此這種方法并不適合進(jìn)行系統級測試。 通過(guò)這種方法，用戶(hù)可以查看主信號和從信號，但它 引入了插損和回損，很難確定錯誤是系統引起的，還是新增硬件引起的。此外，盡管我們可能能夠消除定 向耦合器的影響，但反嵌可能會(huì )放大系統中的噪聲，影響測量和表征精度。

直到最近，定向耦合器方法一直是默認的汽車(chē)以太網(wǎng)測試方法，因為之前一直沒(méi)有泰克基于軟件的信號分隔測試方法。

圖 7. 汽車(chē)以太網(wǎng)定向耦合器信號分離方法

圖 8. 汽車(chē)以太網(wǎng)泰克信號分隔方法

2. 泰克信號分隔方法

泰克信號分隔方法于 2019 年 7 月問(wèn)世，它同時(shí)從主 測試點(diǎn)和從測試點(diǎn)查看電壓波形和電流波形，來(lái)分隔 全雙工信號，并采用專(zhuān)有軟件算法提供分隔后的信號。泰克信號分隔方法是一種基于軟件的解決方案，它不用剪斷汽車(chē)以太網(wǎng)電纜，用戶(hù)就能看到真實(shí)信號。 這種方法的優(yōu)勢之一，是它可以顯示主信號和從信號，而不會(huì )像定向耦合器方法那樣增加插損和回損及反嵌影響。

圖 9. 汽車(chē)以太網(wǎng)兩種信號分離方法比較

如上圖所示，在實(shí)際的信號示例中，如果采用泰克的信號分離方法，由于沒(méi)有破壞實(shí)際連接和嵌入定向耦合器，得到的 PAM3 信號的峰峰值約為 2V，相對于嵌入定向耦合器得到的200mV峰峰值，泰克信號分離方法得到的 PAM3 眼圖幅度高得多并且信號的信噪比也更加優(yōu)異。通過(guò)這種全新的汽車(chē)以太網(wǎng)測試方法，用戶(hù)可以表征信號，精度更高，時(shí)間更少，而且不會(huì )增加費用和測量挑戰。用戶(hù)可以使用這種方法，在系統級執行信號完整性測試，執行應用環(huán)境中提供的所有測試。

圖 10. 靈活的 PAM3 信號分離及協(xié)議解碼

同時(shí)泰克示波器也提供全面的車(chē)內以太網(wǎng) PAM3 信號高級分析功能及總線(xiàn)的協(xié)議解碼功能，可以參考下表尋找 所需的方案：

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，增強合規測試，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。