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【坐享騎成】系列二:以太網車載節點飆升，并排多條總線測試面臨四大挑戰

（2024年11月23日更新）

與過去、現在和未來的汽車相比，有一個明顯的趨勢：汽車已經成為一個帶輪子的數據中心。在每輛車安全系統、機載傳感器、導航系統等數據流量以及對這些數據的依賴都在迅速增長。未來幾年，我們預計每輛車將看到100多輛ECU，聯網車內網絡每天會攜帶幾個TB數據。

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圖 1. 傳感器與 ECU 越來越多的數據需要更快的數據速率和更寬的帶寬

隨著傳感器的數量和靈敏度的增加，它們會產生巨大的數據。可以想象，10~20個攝像頭提供360度全景視圖，所有攝像頭發送1080p ( 現在 ) 或 4K ( 將來 ) 像素深度來自高清數據流 16 上升到20甚至24位。這些數字正在迅速疊加：一個支持 24 位像素深度 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現在速度可能夠了，但很快就需要10Gbps。

目前，IVNs采用預處理硬件簡化傳感器上的數據。不幸的是，它會影響響響應時間，降低圖像質量，從而限制可用的檢測距離。新的解決方案是 2 - 8 Gbps 速率把原將始數據傳輸到集中式電影系統 (SoCs) 或一般處理表元 (GPUs)，SoC或GPU可以對輸入TexasInstruments代理壓縮實時數據。IVNs在域控制器結構中，傳感器將原始數據傳輸到中央處理單元。

速度達到10 Gbps，汽車以太網將承載高速數字包括：

? 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和對這些性能的需求不斷增加，以及減輕電纜重量，許多行業觀察家對汽車以太網的發展和聯網車載節點的數量非常樂觀。

汽車以太網的概念是由的 OPEN 聯盟 SIG 也提出了叫 IEEE 802.3bw ( 原 BroadR-Reach)，是為汽車聯以太網物理層標準的網絡應用設計，如先進的安全工作能、舒適、信息娛樂功能。通過汽車以太網，多輛車通過系統可以通過非屏蔽單絞線電纜訪問信息。這項技術降低了汽車制造商的聯網成本電纜重量增加了信號帶寬。

為實現更高的信號帶寬，汽車以太網在雙絞線電纜上采用全雙工通信鏈路，支持同時收發功能和 PAM3信令。采和PAM實現全雙工通信，可能會檢查汽車以太網業務和信號完整性測試變得非常復雜。

OPEN 聯盟制定了汽車零部件、信道和互操作能力車輛以太網測試規范。測試系統集成了電子控制單元 (ECU)、連接器和非雙絞線電纜。測試要求系統在惡劣的環境和噪聲條件下工作。因此，用戶必須只有在系統級表征和查看信號完整性和業務時才能執行可靠性測試。

客戶需要在系統級進行信號完整性測試的應用實例:

? TC8 信號質量測試

? ECU 組件的表征和測試

? 汽車以太網電纜、連接器、電纜長度和路征測試

? 電磁噪聲或高斯噪聲測試

? 大電流注入試驗

? 生產單元測試

? 汽車系統對以太網性能的影響 - DC 馬達開 / 關 - 發動機開 / 關

? 汽車以太網系統調試

在系統集成之前，建議在設計階段進行信號完整性測試確定潛在問題。

圖2. 以太網全雙工通信鏈

挑戰：并排測試多條總線

測試車載網絡需要對整個車輛進行可靠性驗證包括互操作能力、抗干擾能力、串擾和干擾源。檢驗運通信功能和可靠性將涵蓋汽車內部的每一個 ECU 管連接總線的系統 ( 下圖 )。汽車數據密集度越來越高，測試可以保證生命周期各個階段的安全包括開發、驗證、生產和維護在內的運行變得至關重要和保養。

圖 3. 車內網絡結構示例

測試挑戰 #1:調試總線

車載通信可能仍受到噪聲、電路板布線和啟動 / 關閉合時的影響，導致總線錯誤和鎖定過多。多條總線同時在封閉的汽車空間內運行，可能會生產生 EMI，導致信號質量差。預一致性測試可以幫助你隔離和識別信號質量和總線性能問題的原因通過對相關標準的改進 EMI 與電磁兼容 (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:檢查電氣一致性

確保汽車之間和內部可靠的低延遲數據流系統的安全運行至關重要。汽車以太網擁有 IEEE 和 OPEN 一套復雜的聯盟合規測試，包括各種確保電氣要求符合標準。這些測試通常是設計的，在驗證和生產過程中執行。在汽車以太網中，物理 (PHY) 層層電氣測試覆蓋發射機 / 接收機(收發機)性能多如下表所示。這些測量的具體目標是測試物理介質連接（PMA）與各種電氣參數據相比，一致性。

圖 4. 100/1000BASE-T1 電氣測試列表

測試挑戰 #3：驗證協議的合規性和系統性能

汽車以太網被稱為三電平PAM或PAM3的技術，在相同的時鐘頻率上實現更高的數據速率。在 PAM3 每個電平必須在特定電壓和相對緊張的容量范圍內運行。這些信號可能相當復雜，但基于示波器的眼圖測量可以有效地確定相對于信號編碼所需的信號性能 ( 即協議測試 )。眼圖的關鍵指標是眼高、眼寬、線性度和厚度 ( 下圖 )。綜合這些指標，提供實用信息表明信號能提供多正確可靠編碼信息。

圖 5. 累計眼圖為在一個或多個周期內查看和表示多電平信號提供了有效的途徑

還指出，汽車以太網采用全雙工操作，因此鏈兩臺設備可同時收發數據。與傳統的共享網絡相比，這提供了三個相關的優勢：第一，兩個設備可以一次收發數據，而不是輪流收發數據；第二，系統帶寬應該更大；第三，全雙工可以在不同的設備(如同時實現主設備與設備之間的多次會話。除了這些復雜的情況外，汽車工程師還面臨著另一個挑戰：采用 PAM3 全雙工通信信令使其難以先查看汽車以太網業務，再充分表示信號完整性。如果您想在鏈路上進行信號完整性分析，并在真實的系統環境中解碼協議 ( 使用示波器 )，設計師必須單獨檢查查看每個鏈路，需要先隔離信號，再進行分析。

圖 6. 實際車載以太網信號，主從信號不能分開

節點之間的可靠通信對汽車的運行至關重要。因此，我們強烈建議在系統級測試信號完整性和協議，包括不同的電纜長度、注入噪聲等。

測試挑戰 #4:獲取排障調試所需信息

無論問題是總線性能，EMI、信號質量由兩個基本指標決定，然后決定電氣一致性或協議一致性數據性能，即幅度和定時性。精確運輸這兩個指標對于確保數字信息通過總線成功傳輸至關重要。由總線速度越來越快，信號調制技術越來越復雜(如 PAM3)，這也變得越來越困難。在調試開始時，通常有六個常見的問題眾所周知：

? 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：電源和地面電路吸收電流過多

? 抖動：噪聲、串擾、定時不穩定

如果沒有足夠的頻率覆蓋，示波器是首選的測量工具覆蓋范圍、通道數、附件和屏幕分析功能、障礙物排除和調試這個過程可能會變得極其繁瑣和耗時。

泰克以太網解決方案

標準化一致性測試

泰克科技致力于測量車內網絡的前沿標準和一致性試。在 IEEE、Open Alliance、HD-BASE 聯盟及 MIPI A-PHY 積極參與和提供行業等標準組織領先的解決方案。下表給出了一致性測試速查表：

表格 1 以太網一致性測試速查表

系統級信號完整性：查看真實信號

在單對雙絞線上分離以太網的主從信號有兩種方法：

1. 定向耦合方法

要求用戶切斷或切斷汽車以太網電纜，插入定向耦合對信號進行分隔和測試。該方法在最小干擾下準確實現測試本身就有缺陷。系統級切斷電纜不是很容易，所以這種方法不適合系統級測試。用戶可以通過這種方式查看主信號和從信號，但它很難確定錯誤是由系統或新硬件引起的。此外，盡管我們可能會消除固定對耦合器的影響，但反嵌可能會放大系統中的噪聲，影響測量和表征精度。

直到最近，定向耦合方法一直是默認的汽車以太網測試方法，因為沒有基于軟件的泰克信號分隔測試方法。

圖 7. 汽車以太網定向耦合設備信號分離法

圖 8. 以太網泰克信號分隔方法

2. 泰克信號分隔法

泰克信號分隔法 2019 年 7 月問世，它同時從主測試點和從測試點分離電壓波形和電流波形采用專有軟件算法提供分隔信號的全雙工信號。泰克信號分隔是一種基于軟件的解決方案，用戶可以看到真實信號，而無需切斷汽車以太網電纜。該方法的優點之一是它可以顯示主信號和從信號，而不會增加插件、回損和反嵌影響，如定向耦合方法。

圖 9. 比較了以太網兩種信號分離方法

如上圖所示，在實際信號示例中，如果泰克的信號分離方法不損壞實際連接和嵌入定向耦合器，則獲得 PAM3 信號的峰值約為 2V，相對于嵌入式定向耦合器獲得的200mV泰克信號分離法獲得峰值和峰值 PAM3 眼圖幅度要高得多，信號的信噪比也更好。通過這種新的汽車以太網測試方法，用戶可以在不增加成本和測量挑戰的情況下，更準確、更少地表示信號。用戶可以在系統級執行信號完整性測試和應用環境中提供的所有測試。