自動駕駛系統(tǒng)的等級越高，獨立傳感器的數(shù)量也越多，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量也將更大。二級自動駕駛系統(tǒng)可以提供縱向和橫向車輛運動控制，可以讓駕駛員放開雙手，暫時休息一下眼睛。該系統(tǒng)可能需要使用5個RADAR傳感器和5個攝像頭。而全自動駕駛系統(tǒng)（四級和五級）將需要多達(dá)20個RADAR傳感器和6個攝像頭，還要使用V2X通信。預(yù)測顯示，一輛自動駕駛汽車每天將會產(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)的長處。

大多數(shù)汽車傳統(tǒng)串行總線都無法達(dá)到LIDAR所要求的70MB/s數(shù)據(jù)速率。當(dāng)各種傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)整合在一起時，通常需要同時使用 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)，以便使自動駕駛和先進(jìn)ADAS系統(tǒng)變成現(xiàn)實。

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)計初衷是希望滿足汽車行業(yè)對帶寬、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。汽車電子體系結(jié)構(gòu)正變得越來越復(fù)雜，其中包含的傳感器、控制器和接口越來越多，并且需要更高的帶寬、更多的計算機和通信鏈路。

連接這些系統(tǒng)的線束無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。現(xiàn)在，汽車制造商使用多種不同的專有標(biāo)準(zhǔn)來提供通信功能；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)，它使用一對電纜連接每個電子元器件與中央網(wǎng)絡(luò)交換機。

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施標(biāo)準(zhǔn)層面展開競爭，而不必再對標(biāo)準(zhǔn)本身提出爭議。該標(biāo)準(zhǔn)實施將使多個設(shè)備可以在一個共享網(wǎng)絡(luò)上無縫運行。

單對以太網(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，實現(xiàn)在一對線纜中雙向傳輸數(shù)據(jù)。這個標(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）成立了一個小組，其任務(wù)是定義通過一對雙絞線實現(xiàn) 1000 Mbps（1 Gbps）數(shù)據(jù)速率的新標(biāo)準(zhǔn)。這個千兆位以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)被稱為1000Base-T1。

時間同步

有些汽車算法要求多個傳感器同時采樣，或者將執(zhí)行某項測量的時間作為參考時間。由于這些測量是在不同的節(jié)點中進(jìn)行，因此汽車中的所有節(jié)點必須做到亞微秒級的精確時間同步。用于橋接局域網(wǎng)中時間敏感型應(yīng)用的 IEEE 802.1AS 計時和同步標(biāo)準(zhǔn)已被選作同步計時標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用了IEEE 1588 v2 的配置文件，并引入了一種簡化的方法來更快選擇主時鐘。

時間觸發(fā)以太網(wǎng)

一些時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)或是控制對時間要求極為嚴(yán)格的功能。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包必須逐個傳輸，即使達(dá)到千兆位的速度，傳輸一個數(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)一個系統(tǒng)來解決這個問題，其中高優(yōu)先級的數(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獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)在計算機上觀看視頻時，可以使用緩沖方式來解決網(wǎng)絡(luò)計時不可靠的問題，但汽車AV系統(tǒng)不能這樣，它需要同時控制延遲和保證帶寬。時間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組制定了相應(yīng)的規(guī)范，支持時間同步的低延遲數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。

03

成功實施需要的全面測試

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

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

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

圖2：車載以太網(wǎng)的物理層測試點

發(fā)射機測試

收發(fā)信機測試與其他高速數(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包含協(xié)議觸發(fā)與解碼軟件包的測試解決方案，此軟件包將查看數(shù)據(jù)流量和協(xié)議層動態(tài)，從而節(jié)省調(diào)試早期設(shè)計的時間。所有必需的一致性測試都需要在設(shè)置、配置和報告階段中預(yù)先打 包，以便設(shè)計人員可以專注于他們的核心任務(wù)，按期完成工作。

接收機測試

功能強大的 100Base-T1 接收機（RX）一致性測試應(yīng)用軟件應(yīng)能自動配置所有必需的測試設(shè)備，簡化并加快整個測試過程。該軟件還提供比特誤碼率測試（BERT或BER測試）。

? 簡化接收機一致性測試

? 自動配置所有必需設(shè)備，縮短測試時間

? 以圖形方式顯示與被測器件的連接

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

鏈路分段測試

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

高層協(xié)議測試

車載以太網(wǎng)不僅僅需要物理層測試。驗證解決方案還需要更高層的測試方法，包括汽車 TCP/IP 協(xié)議模型、時間同步（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

自動駕駛和ADAS將會造福社會，但也會給工程師帶來許多新的測試挑戰(zhàn)。目前，汽車對高數(shù)據(jù)速率、帶寬和數(shù)據(jù)安全性的需求不斷提高，同時還要求做好更充分的準(zhǔn)備應(yīng)對未來需求，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。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試發(fā)射機、鏈路分段、接收機以及更高層的協(xié)議功能，最終成功實施車載以太網(wǎng)。

編輯：黃飛

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