【坐享“騎”成】系列之二：以太網(wǎng)車載節(jié)點暴增，并排多條總線測試面臨四大挑戰(zhàn)

對比過去、現(xiàn)在、將來的汽車，有一個明顯的趨勢：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)、機載傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)流量，以及對這些數(shù)據(jù)的依賴程度，都在不斷迅速增長。 在未來幾年中，我們預(yù)計每輛汽車中都會看到超過100個ECU，聯(lián)網(wǎng)的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)每天會承載幾TB數(shù)據(jù)。

圖 1. 傳感器與 ECU 數(shù)量越來越多，需要更快的數(shù)據(jù)速率和更寬的帶寬

隨著傳感器的數(shù)量越來越多，靈敏度越來越高，它們會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)?？梢韵胂螅?0~20個攝像頭，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10Gbps。

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。遺憾的是，這會影響響應(yīng)時間，同時還會降低圖像質(zhì)量，從而限制可用的檢測距離。一個新興解決方案是以 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可以對輸入的實時數(shù)據(jù)進行壓縮。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，傳感器會把原始數(shù)據(jù)傳送到中央處理單元。

隨著速度達到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；

?   IEEE 802.3ch, 10GBASE-T1, 2.5/5/10 Gbps。

考慮到可用的數(shù)據(jù)速率及對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)點數(shù)量時均非常樂觀。

汽車以太網(wǎng)概念是由 OPEN 聯(lián)盟 SIG 提出來的，也 叫 IEEE 802.3bw ( 原 BroadR-Reach)，是為汽車聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的一種以太網(wǎng)物理層標準，如高級安全功 能、舒適和信息娛樂功能。通過汽車以太網(wǎng)，多個車 載系統(tǒng)可以經(jīng)過一條非屏蔽單絞線電纜同時訪問信 息。對汽車制造商來說，這一技術(shù)降低了聯(lián)網(wǎng)成本和 線纜重量，同時提高了信號帶寬。

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

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

客戶需要在系統(tǒng)級進行信號完整性測試的應(yīng)用實例有：

?  TC8 信號質(zhì)量測試

?  ECU 元器件表征和測試

?  汽車以太網(wǎng)電纜、連接器、電纜長度和路由表征和 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

?  汽車系統(tǒng)對汽車以太網(wǎng)性能的影響 - DC 馬達開 / 關(guān) - 發(fā)動機開 / 關(guān)

?  汽車以太網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試

建議在設(shè)計階段執(zhí)行信號完整性測試，在系統(tǒng)整合前 確定潛在的問題。

圖2. 汽車以太網(wǎng)全雙工通信鏈條

挑戰(zhàn)：并排測試多條總線

測試車載網(wǎng)絡(luò)要求在整個車輛中進行可靠性校驗，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內(nèi)部每一個 ECU 管 理的連接總線的系統(tǒng) ( 下圖 )。隨著汽車的數(shù)據(jù)密集 度越來越高，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，包括開發(fā)、驗證、生產(chǎn)、維護 和保養(yǎng)。

圖 3. 車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例

測試挑戰(zhàn) #1：調(diào)試總線問題

車載通信可能仍會受到噪聲、電路板布線及啟動 / 關(guān) 閉定時的影響，產(chǎn)生總線錯誤過多及鎖定等問題。 多條總線在汽車封閉的空間內(nèi)同時運行，可能會產(chǎn) 生 EMI，導(dǎo)致信號質(zhì)量差。預(yù)一致性測試可以幫助您 隔離和識別信號質(zhì)量問題和總線性能問題的成因，另 外還可以改善針對相關(guān)標準通過 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：檢驗電氣一致性

保證汽車之間及汽車內(nèi)部可靠的低時延數(shù)據(jù)流，對整 個系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。汽車以太網(wǎng)擁有 IEEE 和 OPEN 聯(lián)盟規(guī)定的一套復(fù)雜的合規(guī)測試，包括各種 電氣要求，以確保滿足標準。這些測試通常在設(shè)計、 驗證和生產(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 / 接收機（收發(fā)機）性能的多 個關(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(shù)據(jù)的 一致性。

圖 4. 100/1000BASE-T1 電氣測試列表

測試挑戰(zhàn) #3： 驗證協(xié)議合規(guī)性和系統(tǒng)性能

汽車以太網(wǎng)采用稱為三電平PAM或PAM3的技術(shù)， 在相同的時鐘頻率上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。在 PAM3 中，每個電平必須在特定電壓及相對緊張的容限范圍內(nèi)運行。 這些信號可能會相當復(fù)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、線性度和厚度 ( 下圖 )。這些指標綜合起來， 提供了實用信息，表明信號可以多么正確可靠地提供 編碼信息。

圖 5. 累計眼圖為在一個或多個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，汽車以太網(wǎng)采用全雙工操作，因此鏈 接的兩臺設(shè)備可以同時收發(fā)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)共享網(wǎng)絡(luò)相比，這提供了三個相關(guān)優(yōu)勢：第一，兩臺設(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（如 主設(shè)備和從設(shè)備）之間同時實現(xiàn)多個會話。 除了這些復(fù)雜情況外，汽車工程師還面臨著另一項挑戰(zhàn)：采用 PAM3 信令進行全雙工通信，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完整性。如果想在鏈路上執(zhí)行信號完整性分析，并在真實系統(tǒng)環(huán)境中解碼協(xié)議 ( 使用示波器 )，設(shè)計人員必需分開查 看每條鏈路，這要求先隔離信號，然后才能執(zhí)行分析。

圖 6. 實際車載以太網(wǎng)信號，主從信號無法分開

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

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，都有兩個基礎(chǔ)指標決定著信號質(zhì)量，進而決定 數(shù)據(jù)性能，那就是幅度和定時。這兩個指標精確運 行，對保證數(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，信號調(diào)制技術(shù)越來越復(fù)雜（如 PAM3），這一點也變得越來越困難。 在開始調(diào)試時，有六個常見問題，其根本原因通常也 是眾所周知：

?   幅度問題：振鈴，頂降，欠幅脈沖

?   邊沿畸變：電路板布線問題，端接不當，電路問題

?   反射：電路板布線問題，端接不當

?   串擾：信號耦合，EMI

?   地電平彈跳：吸收電流過多，電源和地面回路內(nèi)阻

?   抖動：噪聲，串擾，定時不穩(wěn)定

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 過程可能會變得異常繁瑣耗時。

泰克汽車以太網(wǎng)解決方案

標準化一致性測試

泰克科技致力與車內(nèi)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(nèi) 領(lǐng)先的解決方案。下表給出了一致性測試速查表：

表格 1 汽車以太網(wǎng)一致性測試速查表

系統(tǒng)級信號完整性：查看真實信號

要在單對雙絞線上分離汽車以太網(wǎng)的主從信號有兩種方法：

1. 定向耦合器方法

要求用戶斷開或剪斷汽車以太網(wǎng)電纜，插入定向耦合 器來分隔和測試信號。這種方法在以最小干擾實現(xiàn)準 確測試方面本身存在著缺陷。在系統(tǒng)級剪斷電纜并不 是一件易事，因此這種方法并不適合進行系統(tǒng)級測試。 通過這種方法，用戶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(tǒng)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，但反嵌可能會放大系統(tǒng)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以太網(wǎng)測試方法，因為之前一直沒有泰克基于軟件的信號分隔測試方法。

圖 7. 汽車以太網(wǎng)定向耦合器信號分離方法

圖 8. 汽車以太網(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 月問世，它同時從主 測試點和從測試點查看電壓波形和電流波形，來分隔 全雙工信號，并采用專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，它不用剪斷汽車以太網(wǎng)電纜，用戶就能看到真實信號。 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. 汽車以太網(wǎng)兩種信號分離方法比較

如上圖所示，在實際的信號示例中，如果采用泰克的信號分離方法，由于沒有破壞實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。通過這種全新的汽車以太網(wǎng)測試方法，用戶可以表征信號，精度更高，時間更少，而且不會增加費用和測量挑戰(zhàn)。用戶可以使用這種方法，在系統(tǒng)級執(zhí)行信號完整性測試，執(zhí)行應(yīng)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

同時泰克示波器也提供全面的車內(nèi)以太網(wǎng) PAM3 信號高級分析功能及總線的協(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(tǒng)一的車載網(wǎng)絡(luò)測試方法。在所有主要IVN中及在整個汽車生命周期中，我們可以幫助您及您的團隊把新設(shè)計更快地投入生產(chǎn)，加快驗證測試，增強合規(guī)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，可以大大增強您滿足成本和時間表的能力。