车载网络的性能和合规性_发展趋势及挑战

车载网络的性能和合规性

对比过去、现在、将来的汽车，有一个明显的趋势： 汽车已经成为带轮子的数据中心。在每辆汽车内部， 来自安全系统、机载传感器、导航系统等的数据流量， 以及对这些数据的依赖程度，都在不断迅速增长。 

这在速度、容量、可靠性方面给车载网络 (IVNs) 带来 了重大影响，其中的影响之一是，在高速低时延应用 中，为某种目的设计的总线缺少要求的带宽，比如控 制区域网 (CAN)、FlexRay、本地互连网 (LIN)、面向 媒体的系统传输 (MOST) 和单边半波传输 (SENT)。结 果，这些传统标准正逐渐融入信息技术 (IT) 领域以前 经过验证的各种技术。

当前的主要实例是汽车以太网，它覆盖了电气和电子 工程师 (IEEE) 开发的四项标准。目前，汽车以太网将 与涵盖各种系统和子系统的多种总线共存。因此，我 们需要不同的测试方法，来完成汽车和 IVN 的设计、 验证、调试、排障、维护和保养。

发展趋势：处理数据、以太网

今天，许多汽车包含着八十几个电子控制单元(ECUs)。 到目前为止，CAN、LIN、FlexRay、MOST 和 SENT 一直承载着这些 ECU 和各种机载系统之间的信息， 比如发动机、传动系统、传输、刹车、车身、悬架、 信息娱乐系统等 ( 表 1)。此外，蜂窝和非蜂窝无线技 术 ( 如蓝牙、WLAN 和 GNSS) 正把外部数据流传送 到信息娱乐系统、导航系统和交通信息系统。

在未来几年中，我们预计每辆汽车中都会看到超过 100 个 ECU，联网的车内网络每天会承载几 TB 数据。我 们 预 计 汽 车 将 继 续 采 用 CAN、CAN-FD、LIN、 FlexRay、SENT 和 MOST；但是，当前顶端数据是 FlexRay 的 10 Mbps 及 MOST 的 150 Mbps。当然， 想“走得更快”总是说易行难，业界普遍采用 CAN 总线要求进行大规模重新设计，才能提供必要的速度、 安全性和向下兼容能力。

随着传感器的数量越来越多，灵敏度越来越高，它们 会产生庞大的数据。可以想象，10~20 个摄像头，提 供 360 度全景视图，所有摄像头都发送 1080p ( 现在 ) 或 4K ( 将来 ) 高清数据流，像素深度从 16 位提高到 20 位甚至 24 位。这些数字正在迅速叠加在一起：一 个支持 24 位像素深度的 4K 摄像头以每秒 10-30 帧的 速率，生成每帧 199 Mb 的数据。2 尽管 1 Gbps 速率 现在可能足够了，但很快就需要 10 Gbps ( 图 1)。

目前，IVNs 采用预处理硬件，在传感器上执行数据精 简 ( 即压缩 )。遗憾的是，这会引入时延，影响响应时 间，同时还会降低图像质量，从而限制可用的检测距 离。一个新兴解决方案是以 2 - 8 Gbps 速率把原始 数据传送到集中式片上系统 (SoCs) 或通用处理单元 (GPUs)，SoC 或 GPU 可以对输入的实时数据进行压 缩。IVNs 正从扁平结构转向域控制器结构，在域控制 器结构中，传感器会把原始数据传送到中央处理单元。所需的通信流量正在不断扩大，并随着汽车到基础设 施 (V2I)、汽车到汽车 (V2V) 和汽车到万物 (V2X) 技术 不断演进。所有这些都将在汽车操作和人机交互中发 挥重要作用。

挑战：并排测试多条总线

测试挑战 #1：调试总线问题

CAN、LIN 和 FlexRay 均是相对成熟的总线协议，设 计目标是强健、容易集成。即便如此，车载通信可能 仍会受到噪声、电路板布线及启动 / 关闭定时的影响， 产生总线错误过多及锁定等问题。

CAN、LIN 和 FlexRay 的常见问题包括排除信号问题， 调试解码后的协议，了解多条通道、传感器和激励器。在 SENT 中，很难先配置示波器解码快速和低速通道 SENT 消息，然后再触发解码后的信息。如前所述，多条总线在汽车封闭的空间内同时运行， 可能会产生 EMI，导致信号质量差。预一致性测试可 以帮助您隔离和识别信号质量问题和总线性能问题 的成因，另外还可以改善针对相关标准通过 EMI 和 电磁兼容性 (EMC) 正式测试的能力，如 CISPR 12、 CISPR 25、EN 55013、EN 55022 ( 被 EN 55032 替代 ) 和 CFR Title 47, Part 15。

测试挑战 #2：检验电气一致性

保证汽车之间及汽车内部可靠的低时延数据流，对整 个系统的安全运行至关重要。与 CAN、 LIN 等不同， 汽车以太网拥有 IEEE 和 OPEN 联盟规定的一套复杂 的合规测试，包括各种电气要求，以确保满足标准。 这些测试通常在设计、验证和生产过程中执行。在汽 车以太网中，物理 (PHY) 层电气测试覆盖发射机 / 接 收机（收发机）性能的多个关键指标，如表 3 所示。 这些测量的具体目标，是测试物理介质连接（PMA） 相对于各种电气参数据的一致性。

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