【坐享“騎”成】系列之二：以太網(wǎng)車載節(jié)點(diǎn)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(jī)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(jì)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?，10~20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(shí)時數(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，傳感器會把原始數(shù)據(jù)傳送到中央處理單元。

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；

?   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(diǎn)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(jì)的一種以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(shí)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(jìn)行信號完整性測試的應(yīng)用實(shí)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(dá)開 / 關(guān) - 發(fā)動機(jī)開 / 關(guān)

?  汽車以太網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試

建議在設(shè)計(jì)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(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 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(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 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(yùn)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(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)部可靠的低時延數(shù)據(jù)流，對整 個系統(tǒng)的安全運(yùn)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(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 個關(guān)鍵指標(biāo)，如下表所示。這些測量的具體目標(biāo)，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(yàn)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(shí)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(yùn)行。 這些信號可能會相當(dāng)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(biāo)是眼高、眼寬、線性度和厚度 ( 下圖 )。這些指標(biāo)綜合起來， 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(jì)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(shí)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(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完整性。如果想在鏈路上執(zhí)行信號完整性分析，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，然后才能執(zhí)行分析。

圖 6. 實(shí)際車載以太網(wǎng)信號，主從信號無法分開

節(jié)點(diǎn)間的可靠通信對汽車運(yùn)行至關(guān)重要。正因如此，我們強(qiáng)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(biāo)決定著信號質(zhì)量，進(jìn)而決定 數(shù)據(jù)性能，那就是幅度和定時。這兩個指標(biāo)精確運(yùn) 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(diǎn)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(dāng)，電路問題

?   反射：電路板布線問題，端接不當(dāng)

?   串?dāng)_：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?dāng)_，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(biāo)準(zhǔn)化一致性測試

泰克科技致力與車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的前沿標(biāo)準(zhǔn)工作及一致性測 試。 在 IEEE、Open Alliance、HD-BASE 聯(lián) 盟 及 MIPI A-PHY 等等標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn) 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(jìn)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?fù)p，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(rèn)的汽車以太網(wǎng)測試方法，因?yàn)橹耙恢睕]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(diǎn)和從測試點(diǎn)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(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，而不會像定向耦合器方法那樣增加插損和回?fù)p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(shí)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(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(fèi)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(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)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(qiáng)您滿足成本和時間表的能力。