為何選擇車載以太網(wǎng) 車載以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的等級(jí)越高，獨(dú)立傳感器的數(shù)量也越多，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量也將更大。二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以提供縱向和橫向車輛運(yùn)動(dòng)控制，可以讓駕駛員放開雙手，暫時(shí)休息一下眼睛。該系統(tǒng)可能需要使用5個(gè)RADAR傳感器和5個(gè)攝像頭。而全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（四級(jí)和五級(jí)）將需要多達(dá)20個(gè)RADAR傳感器和6個(gè)攝像頭，還要使用V2X通信。預(yù)測(cè)顯示，一輛自動(dòng)駕駛汽車每天將會(huì)產(chǎn)生大約 4 TB的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要以極短的延遲在高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)上傳輸、存儲(chǔ)和共享，這正是基于車載以太網(wǎng)的高吞吐量、低延遲網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)處。

大多數(shù)汽車傳統(tǒng)串行總線都無(wú)法達(dá)到LIDAR所要求的70MB/s數(shù)據(jù)速率。當(dāng)各種傳感技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)整合在一起時(shí)，通常需要同時(shí)使用 LIDAR、RADAR、攝像頭和 V2X 通信。在這種情況下，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量超過了傳統(tǒng)汽車串行總線的現(xiàn)有容量。因此，汽車行業(yè)想要引入車載以太網(wǎng)，以便使自動(dòng)駕駛和先進(jìn)ADAS系統(tǒng)變成現(xiàn)實(shí)。

01

為何選擇車載以太網(wǎng)

車載以太網(wǎng)是在汽車中連接電子元器件的一種有線網(wǎng)絡(luò)。其設(shè)計(jì)初衷是希望滿足汽車行業(yè)對(duì)帶寬、延遲、同步、干擾、安全性和網(wǎng)絡(luò)管理等方面的要求。IEEE 和 OPEN 聯(lián)盟已在 IEEE 802.3 和 802.1 小組中制定出并負(fù)責(zé)維護(hù)100 Mbps和1000 Mbps車載以太網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)。

在早期階段，以太網(wǎng)從 DLC 診斷端口到網(wǎng)關(guān)只有一條 100Base-T1 1TPCE 鏈路，所以它只用于診斷和固化軟件更新。圖 1 顯示了車載以太網(wǎng)作為新骨干（使用更快速的千兆位 以太網(wǎng) 1000Base-T1 RTPGE 鏈路）的角色演變。

圖1：車載以太網(wǎng)的演進(jìn)進(jìn)程

在車載電子系統(tǒng)連接和通信、自動(dòng)駕駛和 ADAS 系統(tǒng)方面，車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)汽車串行總線相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。汽車電子體系結(jié)構(gòu)正變得越來(lái)越復(fù)雜，其中包含的傳感器、控制器和接口越來(lái)越多，并且需要更高的帶寬、更多的計(jì)算機(jī)和通信鏈路。

連接這些系統(tǒng)的線束無(wú)論是重量還是成本都排在目前汽車所有零部件中的第三位?，F(xiàn)在，汽車制造商使用多種不同的專有標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提供通信功能；大部分元器件都使用一條專用線路或電纜。車載以太網(wǎng)是支持所有通信的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，它使用一對(duì)電纜連接每個(gè)電子元器件與中央網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

Broadcom和博世進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)查顯示，通過使用非屏蔽雙絞線 （UTP）電纜和更小的緊湊型連接器，連接成本最多可降低 80％，線纜重量最多可減輕 30％。

02

車載以太網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)

AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)）

AUTOSAR 是開放和標(biāo)準(zhǔn)化的汽車軟件體系結(jié)構(gòu)。它由汽車制造商、供應(yīng)商和工具開發(fā)商聯(lián)合開發(fā)完成。AUTOSAR 包括在汽車中使用的TCP/ IP協(xié)議模型。汽車行業(yè)已經(jīng)達(dá)成一致，同意將AUTOSAR確立為標(biāo)準(zhǔn)，各家汽車制造商將在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)層面展開競(jìng)爭(zhēng)，而不必再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)本身提出爭(zhēng)議。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施將使多個(gè)設(shè)備可以在一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)上無(wú)縫運(yùn)行。

單對(duì)以太網(wǎng)（OPEN）

Broadcom 開發(fā)了BroadR-Reach 作為專有物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持更長(zhǎng)距離的100 Mbps銅纜以太網(wǎng)連接。該標(biāo)準(zhǔn)在物理層上采用了千兆以太網(wǎng)銅纜技術(shù)，包括多電平PAM-3 信令和更好的編碼方案，減少了電纜所需要的帶寬。它還使用了回聲消除器，實(shí)現(xiàn)在一對(duì)線纜中雙向傳輸數(shù)據(jù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的帶寬為27 MHz，比100Base-T標(biāo)準(zhǔn)62.5MHz 的帶寬小，因而達(dá)到了汽車EMI要求。為此 IEEE 802.3工作組（802.3bp）成立了一個(gè)小組，其任務(wù)是定義通過一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn) 1000 Mbps（1 Gbps）數(shù)據(jù)速率的新標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)千兆位以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)被稱為1000Base-T1。

時(shí)間同步

有些汽車算法要求多個(gè)傳感器同時(shí)采樣，或者將執(zhí)行某項(xiàng)測(cè)量的時(shí)間作為參考時(shí)間。由于這些測(cè)量是在不同的節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行，因此汽車中的所有節(jié)點(diǎn)必須做到亞微秒級(jí)的精確時(shí)間同步。用于橋接局域網(wǎng)中時(shí)間敏感型應(yīng)用的 IEEE 802.1AS 計(jì)時(shí)和同步標(biāo)準(zhǔn)已被選作同步計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用了IEEE 1588 v2 的配置文件，并引入了一種簡(jiǎn)化的方法來(lái)更快選擇主時(shí)鐘。

時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)

一些時(shí)間敏感型控件要求通信延遲在1微秒之內(nèi)，以便控制器可以快速獲得傳感器讀數(shù)或是控制對(duì)時(shí)間要求極為嚴(yán)格的功能。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包必須逐個(gè)傳輸，即使達(dá)到千兆位的速度，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包也需要幾百微秒。IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）工作組正在開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問題，其中高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包（稱為Express數(shù)據(jù)包）可以中斷現(xiàn)有數(shù)據(jù)包的傳輸過程優(yōu)先進(jìn)行傳輸，當(dāng)它傳輸完畢后，被中斷的數(shù)據(jù)包再繼續(xù)進(jìn)行傳輸。

AV 橋接

ADAS 主要依賴從攝像頭和其他傳感器及時(shí)獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)在計(jì)算機(jī)上觀看視頻時(shí)，可以使用緩沖方式來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)不可靠的問題，但汽車AV系統(tǒng)不能這樣，它需要同時(shí)控制延遲和保證帶寬。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組制定了相應(yīng)的規(guī)范，支持時(shí)間同步的低延遲數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。

03

成功實(shí)施需要的全面測(cè)試

車載以太網(wǎng)工程師需要處理常見的高頻電路板設(shè)計(jì)問題，包括信號(hào)噪聲、信號(hào)質(zhì)量、串?dāng)_、反射、阻抗匹配和直流電源完整性。

為了確保成功實(shí)施和可靠運(yùn)行，車載以太網(wǎng)還需要對(duì)物理層、協(xié)議、一致性、安全性和線束執(zhí)行全面的測(cè)試。

物層層一致性測(cè)試有三個(gè)測(cè)試點(diǎn)（圖 2）：發(fā)射機(jī)及協(xié)議觸發(fā)和解碼；鏈路分段，包括線束和連接器；接收機(jī)。

圖2：車載以太網(wǎng)的物理層測(cè)試點(diǎn)

發(fā)射機(jī)測(cè)試

收發(fā)信機(jī)測(cè)試與其他高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)的物理層表征解決方案相似。工程師必須選擇一個(gè)包含協(xié)議觸發(fā)與解碼軟件包的測(cè)試解決方案，此軟件包將查看數(shù)據(jù)流量和協(xié)議層動(dòng)態(tài)，從而節(jié)省調(diào)試早期設(shè)計(jì)的時(shí)間。所有必需的一致性測(cè)試都需要在設(shè)置、配置和報(bào)告階段中預(yù)先打 包，以便設(shè)計(jì)人員可以專注于他們的核心任務(wù)，按期完成工作。

接收機(jī)測(cè)試

功能強(qiáng)大的 100Base-T1 接收機(jī)（RX）一致性測(cè)試應(yīng)用軟件應(yīng)能自動(dòng)配置所有必需的測(cè)試設(shè)備，簡(jiǎn)化并加快整個(gè)測(cè)試過程。該軟件還提供比特誤碼率測(cè)試（BERT或BER測(cè)試）。

? 簡(jiǎn)化接收機(jī)一致性測(cè)試

? 自動(dòng)配置所有必需設(shè)備，縮短測(cè)試時(shí)間

? 以圖形方式顯示與被測(cè)器件的連接

? 生成HTML格式且可打印輸出的合格/不合格測(cè)試報(bào)告，報(bào)告中還包含裕量分析結(jié)果

鏈路分段測(cè)試

一個(gè)完整的鏈路分段一致性測(cè)試解決方案需要支持電纜測(cè)試、連接器測(cè)試、通信信道測(cè) 試、連接器串?dāng)_測(cè)試，以及跨越整個(gè)通信信道的串?dāng)_測(cè)試。

高層協(xié)議測(cè)試

車載以太網(wǎng)不僅僅需要物理層測(cè)試。驗(yàn)證解決方案還需要更高層的測(cè)試方法，包括汽車 TCP/IP 協(xié)議模型、時(shí)間同步（IEEE 802.1AS）、音頻視頻橋接傳輸（802.1Qav）以及預(yù)定的流量傳輸（IEEE 802.1Qbv）協(xié)議實(shí)施。下面的圖 3顯示了完整的車載以太網(wǎng)協(xié)議模型。

圖3：車載以太網(wǎng)的完整模型

04

結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)駕駛和ADAS將會(huì)造福社會(huì)，但也會(huì)給工程師帶來(lái)許多新的測(cè)試挑戰(zhàn)。目前，汽車對(duì)高數(shù)據(jù)速率、帶寬和數(shù)據(jù)安全性的需求不斷提高，同時(shí)還要求做好更充分的準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)未來(lái)需求，車載以太網(wǎng)為此提供了必要的先進(jìn)功能，并克服了傳統(tǒng)汽車串行總線在車載電子系統(tǒng)連接和通信方面的缺點(diǎn)。是德科技提供了性能卓越的解決方案，能夠幫助工程師全面測(cè)試發(fā)射機(jī)、鏈路分段、接收機(jī)以及更高層的協(xié)議功能，最終成功實(shí)施車載以太網(wǎng)。

編輯：黃飛

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