車載網(wǎng)絡(luò)的性能和合規(guī)性_發(fā)展趨勢(shì)及挑戰(zhàn)

車載網(wǎng)絡(luò)的性能和合規(guī)性

對(duì)比過去、現(xiàn)在、將來的汽車，有一個(gè)明顯的趨勢(shì)： 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(duì)這些數(shù)據(jù)的依賴程度，都在不斷迅速增長。

這在速度、容量、可靠性方面給車載網(wǎng)絡(luò) (IVNs) 帶來 了重大影響，其中的影響之一是，在高速低時(shí)延應(yīng)用 中，為某種目的設(shè)計(jì)的總線缺少要求的帶寬，比如控 制區(qū)域網(wǎng) (CAN)、FlexRay、本地互連網(wǎng) (LIN)、面向 媒體的系統(tǒng)傳輸 (MOST) 和單邊半波傳輸 (SENT)。結(jié) 果，這些傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正逐漸融入信息技術(shù) (IT) 領(lǐng)域以前 經(jīng)過驗(yàn)證的各種技術(shù)。

當(dāng)前的主要實(shí)例是汽車以太網(wǎng)，它覆蓋了電氣和電子 工程師 (IEEE) 開發(fā)的四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。目前，汽車以太網(wǎng)將 與涵蓋各種系統(tǒng)和子系統(tǒng)的多種總線共存。因此，我 們需要不同的測(cè)試方法，來完成汽車和 IVN 的設(shè)計(jì)、 驗(yàn)證、調(diào)試、排障、維護(hù)和保養(yǎng)。

發(fā)展趨勢(shì)：處理數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)

今天，許多汽車包含著八十幾個(gè)電子控制單元(ECUs)。 到目前為止，CAN、LIN、FlexRay、MOST 和 SENT 一直承載著這些 ECU 和各種機(jī)載系統(tǒng)之間的信息， 比如發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳輸、剎車、車身、懸架、 信息娛樂系統(tǒng)等 ( 表 1)。此外，蜂窩和非蜂窩無線技 術(shù) ( 如藍(lán)牙、WLAN 和 GNSS) 正把外部數(shù)據(jù)流傳送 到信息娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和交通信息系統(tǒng)。

在未來幾年中，我們預(yù)計(jì)每輛汽車中都會(huì)看到超過 100 個(gè) ECU，聯(lián)網(wǎng)的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)每天會(huì)承載幾 TB 數(shù)據(jù)。我 們 預(yù) 計(jì) 汽 車 將 繼 續(xù) 采 用 CAN、CAN-FD、LIN、 FlexRay、SENT 和 MOST；但是，當(dāng)前頂端數(shù)據(jù)是 FlexRay 的 10 Mbps 及 MOST 的 150 Mbps。當(dāng)然， 想“走得更快”總是說易行難，業(yè)界普遍采用 CAN 總線要求進(jìn)行大規(guī)模重新設(shè)計(jì)，才能提供必要的速度、 安全性和向下兼容能力。

隨著傳感器的數(shù)量越來越多，靈敏度越來越高，它們 會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。可以想象，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(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(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(shù)據(jù)。2 盡管 1 Gbps 速率 現(xiàn)在可能足夠了，但很快就需要 10 Gbps ( 圖 1)。

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 ( 即壓縮 )。遺憾的是，這會(huì)引入時(shí)延，影響響應(yīng)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(cè)距 離。一個(gè)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(duì)輸入的實(shí)時(shí)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(huì)把原始數(shù)據(jù)傳送到中央處理單元。所需的通信流量正在不斷擴(kuò)大，并隨著汽車到基礎(chǔ)設(shè) 施 (V2I)、汽車到汽車 (V2V) 和汽車到萬物 (V2X) 技術(shù) 不斷演進(jìn)。所有這些都將在汽車操作和人機(jī)交互中發(fā) 揮重要作用。

挑戰(zhàn)：并排測(cè)試多條總線

測(cè)試挑戰(zhàn) #1：調(diào)試總線問題

CAN、LIN 和 FlexRay 均是相對(duì)成熟的總線協(xié)議，設(shè) 計(jì)目標(biāo)是強(qiáng)健、容易集成。即便如此，車載通信可能 仍會(huì)受到噪聲、電路板布線及啟動(dòng) / 關(guān)閉定時(shí)的影響， 產(chǎn)生總線錯(cuò)誤過多及鎖定等問題。

CAN、LIN 和 FlexRay 的常見問題包括排除信號(hào)問題， 調(diào)試解碼后的協(xié)議，了解多條通道、傳感器和激勵(lì)器。在 SENT 中，很難先配置示波器解碼快速和低速通道 SENT 消息，然后再觸發(fā)解碼后的信息。如前所述，多條總線在汽車封閉的空間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行， 可能會(huì)產(chǎn)生 EMI，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量差。預(yù)一致性測(cè)試可 以幫助您隔離和識(shí)別信號(hào)質(zhì)量問題和總線性能問題 的成因，另外還可以改善針對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通過 EMI 和 電磁兼容性 (EMC) 正式測(cè)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(cè)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(shí)延數(shù)據(jù)流，對(duì)整 個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。與 CAN、 LIN 等不同， 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(cè)試，包括各種電氣要求，以確保滿足標(biāo)準(zhǔn)。 這些測(cè)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(cè)試覆蓋發(fā)射機(jī) / 接 收機(jī)（收發(fā)機(jī)）性能的多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如表 3 所示。 這些測(cè)量的具體目標(biāo)，是測(cè)試物理介質(zhì)連接（PMA） 相對(duì)于各種電氣參數(shù)據(jù)的一致性。

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