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為何說汽車是帶輪子的數據中心?如何確保車載網絡的強大性能?
發布時間:2020-03-24 閱讀量:290 來源: 作者:

對比汽車的過去、現在、將來,有一個明顯的趨勢:汽車已經成為帶輪子的數據中心。在每輛汽車內部,來自安全系統、車載傳感器、導航系統等的數據流量,以及對這些數據的依賴程度,都在不斷迅速增長。


這在速度、容量、可靠性方面給車載網絡(IVNs)帶來了重大影響,其中的影響之一是,在高速低時延應用中,比如控制區域網(CAN)、FlexRay、本地互連網(LIN)、面向媒體的系統傳輸(MOST)和單邊半波傳輸(SENT)之類的總線缺少所需的帶寬。結果,這些傳統標準正逐漸被信息技術(IT)領域的先前已驗證的技術所取代。

 

當前的主要實例是汽車以太網,它覆蓋了電氣和電子工程師(IEEE)開發的四項標準。目前,汽車以太網將與涵蓋各種系統和子系統的多種總線共存。因此,我們需要不同的測試方法,來完成汽車和 IVN 的設計、驗證、調試、排障、維護和保養。

 

發展趨勢:更多需求來自數據、以太網、標準化和生命周期。

 

今天的汽車有超過八十個電子控制單元(ECUs),CAN、LIN、FlexRay、MOST 和 SENT 一直承載著這些 ECU 和各種機載系統之間的信息,比如發動機、傳動系統、傳輸、剎車、車身、懸架、信息娛樂系統等(圖 1)。此外,蜂窩和非蜂窩無線技術正把外部數據流傳送到信息娛樂系統、導航系統和交通信息系統。

 

圖 1:在汽車系統中,不同的總線和數據速率提供了必要的通信功能。

 

處理更多的數據

在未來幾年中,我們預計每輛汽車中都會看到超過 100 個 ECU,聯網的車內網絡每天會承載幾 TB 數據。我們預計汽車將繼續采用 CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay、SENT 和 MOST;但是,當前頂端數據是 FlexRay 的 10 Mbps 及 MOST 的 150 Mbps。當然,想“走得更快”總是說易行難,業界普遍采用 CAN 總線要求進行大規模重新設計,才能提供必要的速度、安全性和向下兼容能力。

 

隨著傳感器的數量越來越多,靈敏度越來越高,它們會產生龐大的數據。可以想象,10~20 個攝像頭,提供 360 度全景視圖,所有攝像頭都發送 1080p (現在)或 4K (將來)高清數據流,像素深度從 16 位提高到 20 位甚至 24 位。這些數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 的數據。盡管 1 Gbps 速率現在可能足夠了,但很快就需要 10 Gbps (圖 2)。

 

圖 2:數量越來越多的傳感器和 ECU 之間需要更快的數據速率和更寬的帶寬。

 

目前,IVNs 采用預處理硬件,在傳感器上執行數據精簡(即壓縮)。遺憾的是,這會引入時延,影響響應時間,同時還會降低圖像質量,從而限制可用的檢測距離。一個新興解決方案是以 2 - 8 Gbps 速率把原始數據傳送到集中式片上系統(SoCs)或通用處理單元(GPUs),SoC 或 GPU 可以對輸入的實時數據進行壓縮。IVNs 正從扁平結構轉向域控制器結構,在域控制器結構中,傳感器會把原始數據傳送到中央處理單元。

 

所需的通信流量正在不斷擴大,并隨著汽車到基礎設施(V2I)、汽車到汽車(V2V)和汽車到萬物(V2X)技術不斷演進。所有這些都將在汽車操作和人機交互中發揮重要作用。

 

轉向汽車以太網

在汽車應用中,優化數據利用率要求更快的吞吐量、更低的時延、更高的可靠性及更高的服務質量(QoS),以保證汽車的安全可靠運行。隨著速度達到 10 Gbps,汽車以太網將在承載高速數據通信方面發揮越來越大的作用,包括:IEEE 802.3cg, 10BASE-T1, 10 Mbps;IEEE 802.3bw, 100BASE-T1, 100 Mbps;IEEE 802.3bp, 1000BASE-T1, 1 Gbps;以及 IEEE 802.3ch, 10GBASE-T1, 2.5/5/10 Gbps。

 

考慮到可用的數據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,許多業界觀察人員在預測汽車以太網的發展及聯網的車載節點數量時均非常樂觀。

 

標準化:獲得全新商業優勢

在整個汽車行業發展史上,長期以來有一種既定的作法沒有改變,那就是標準化。這種作法仍將適用,因為標準化提供了許多重要優勢,比如加劇了各廠商之間的競爭,降低了元器件成本,保證了互操作能力。

 

總線拓撲和數據速率對比

在考慮不同的總線時,每種總線對應的最大數據速率及其支持的網絡拓撲類型,圖 3 匯總了部分數據。汽車以太網還增加了“交換式織物”功能,以在局域網(LANs)中實現有效的性能。它結合使用硬件和軟件,使用多臺以太網交換機,控制網絡節點中的業務。織物網絡識別其所有路徑、節點、要求和資源。在這種架構內,可用的地址空間為 224 個,可以連接最多 1600 萬個節點或設備。

 

在新一代 IVN 領域,標準化實例包括汽車以太網、MIPI A-PHY 和 HDBaseT 汽車。通過采用 IT 領域經過驗證的技術,汽車行業將獲得明顯的全新商業優勢,因為未來的汽車正變成帶輪子的數據中心。

 

圖 3:主要汽車總線特別適合特定距離的任務,但其通用性也因此弱于基于以太網的網絡。

 

生命周期:從開發到保養

隨著汽車的自主度越來越高,系統故障導致的后果也變得越來越嚴重。為幫助保證這些系統安全可靠地運行,車載網絡測試在整個汽車生命周期中的重要性在不斷上升(圖 4)。因此,審慎地選擇系統設計工具和 IVN 測試解決方案,滿足汽車生命周期所有不同階段的需求,將給一級供應商、汽車 OEM 及汽車最終用戶帶來深入的優勢。

 

圖 4:車載網絡測試在整個汽車生命周期中的重要性在不斷上升。

 

多維挑戰:并排測試多條總線

今天,汽車正采用各種同時運行的通信總線。因此,系統優化和調試變得非常困難,耗時也很長。并行使用所有這些技術,而且是在車輛有限的空間內,會導致電磁干擾(EMI)、信號質量差,并可能會導致關鍵系統故障。

 

測試車載網絡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部每一個 ECU 管理的連接總線的系統(圖 5)。隨著汽車的數據密集度越來越高,測試對保證生命周期所有階段的安全可靠運行變得至關重要,包括開發、驗證、生產、維護和保養。

 

圖 5:采用以太網作為各個系統通信的中央樞紐,目前這些系統均依賴各種專用總線。

 

測試挑戰#1:調試總線問題

CAN、LIN 和 FlexRay 均是相對成熟的總線協議,設計目標是強健、容易集成。即便如此,車載通信可能仍會受到噪聲、電路板布線及啟動 / 關閉定時的影響,產生總線錯誤過多及鎖定等問題。CAN、LIN 和 FlexRay 的常見問題包括排除信號問題,調試解碼后的協議,了解多條通道、傳感器和激勵器。在 SENT 中,很難先配置示波器解碼快速和低速通道 SENT 消息,然后再觸發解碼后的信息。

 

如前所述,多條總線在汽車封閉的空間內同時運行,可能會產生 EMI,導致信號質量差。預一致性測試可以幫助您隔離和識別信號質量問題和總線性能問題的成因,另外還可以改善針對相關標準通過 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#2:檢驗電氣一致性

保證汽車之間及汽車內部可靠的低時延數據流,對整個系統的安全運行至關重要。與 CAN、 LIN 等不同,汽車以太網擁有 IEEE 和 OPEN 聯盟規定的一套復雜的一致性測試,包括各種電氣要求,以確保滿足標準。這些測試通常在設計、驗證和生產過程中執行。在汽車以太網中,物理(PHY)層電氣測試覆蓋發射機 / 接收機(收發機)性能的多個關鍵指標。這些測量的具體目標,是測試物理介質連接(PMA)相對于各種電氣參數據的一致性。

 

測試挑戰#3:驗證協議一致性和系統性能

汽車以太網采用全雙工操作,因此鏈接的兩臺設備可以同時收發數據。與傳統共享網絡相比,這提供了三個相關優勢:第一,兩臺設備可以一次收發數據,而不是輪流收發數據;第二,系統的總帶寬要更大;第三,全雙工可以在不同的設備對(如主設備和從設備)之間同時實現多個會話。

 

除了這些復雜情況外,汽車工程師還面臨著另一項挑戰:采用 PAM3 信令進行全雙工通信,使其很難先查看汽車以太網業務,然后再全面表征信號完整性。如果想在鏈路上執行信號完整性分析,并在真實系統環境中解碼協議(使用示波器),設計人員必需分開查看每條鏈路,這要求先隔離信號,然后才能執行分析。

 

測試挑戰#4:獲得排障和調試所需信息

不管問題是總線性能、EMI、電氣一致性還是協議一致性,都有兩個基礎指標決定著信號質量,進而決定數據性能,那就是幅度和定時。這兩個指標精確運行,對保證數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,信號調制技術越來越復雜(如 PAM3),這一點也變得越來越困難。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、附件和屏幕分析功能,排障和調試過程可能會變得異常繁瑣耗時。

 

解決方案:借助標準化的力量

如前所述,標準化是汽車行業長期來既定的一種作法。以史為鑒,這一概念也可以用來為 IVN 測試選擇解決方案。標準化通過采用統一的測試方法,可以幫助您管理測試成本。例如,選擇能夠簡便適應更高速度的測試平臺,可以讓您提高測試測量解決方案的資金利用率。

 

在現實世界中,我們需要考慮汽車及機載系統在整個生命周期中不同的職責劃分。如果沒有統一的戰略,那么常見的作法會導致不同部門之間隨意使用測試硬件和軟件,最終積重難返。讓我們更仔細地考查一下解決方案中哪些一般特點和具體特點可以幫助您降低測試成本,同時保證在汽車的整個生命周期中實現一致的結果。

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