車載以太網(wǎng)成為面向未來應(yīng)用的新型車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)

車載以太網(wǎng)，簡(jiǎn)而言之，即將熟悉的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過修改和優(yōu)化，以應(yīng)用在汽車上，使其能滿足未來車內(nèi)高速通信的需求

車載以太網(wǎng)的歷史并沒有那么久遠(yuǎn)。雖然很多年前就已經(jīng)開始了這項(xiàng)技術(shù)的研究，但是IEEE是在2015-2016年才形成了IEEE802.3bw以及802.3bp標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)車載以太網(wǎng)100M速率（簡(jiǎn)稱100base-T1）以及1000M速率（簡(jiǎn)稱1000base-T1）的通信標(biāo)準(zhǔn)做出了明確的規(guī)定。近兩年又推出了IEEE802.3cg以及IEEE 802.3ch，分別制定了車載10M速率（10base-T1S）以及車載2.5G/5G/10G速率（MultiGbase-T1）標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，OPEN ALLIANCE聯(lián)盟也對(duì)ECU級(jí)的測(cè)試項(xiàng)目和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)做出了規(guī)定，目前TC8主要針對(duì)100/1000base-T1的ECU測(cè)試，而MultiGbase-T1會(huì)在TC15中完成。

車載以太網(wǎng)發(fā)展迅速，越來越受到汽車產(chǎn)業(yè)界的重視。尤其在隨著5G、車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛等應(yīng)用的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的低速總線技術(shù)無法滿足多傳感器、攝像頭數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)量的傳輸要求。同時(shí)，V2X也對(duì)通信低延遲和實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)苛需求。因此，廠商紛紛借助車載以太網(wǎng)來構(gòu)建新型車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

總線速率的提升為工程師測(cè)試帶來挑戰(zhàn)

在以CAN/FlexRay等為代表的低速總線中，由于數(shù)據(jù)傳輸速率較低（例如普遍使用的CAN總線速率最高為1Mbps，而常用的為500Kbps），工程師在調(diào)測(cè)時(shí)，往往更多側(cè)重于模塊功能化調(diào)試。示波器作為常用工具，在調(diào)測(cè)時(shí)比較容易，且示波器具備的協(xié)議觸發(fā)和解碼功能可以幫助工程師捕獲特定 CAN信號(hào)幀并解碼查看，定位故障。如圖1所示。

圖1 CAN總線解碼功能示意圖

然而，在對(duì)更高速的車載以太網(wǎng)接口做驗(yàn)證時(shí)，情況會(huì)復(fù)雜很多，需要進(jìn)行物理層一致性測(cè)試。

首先，隨著被測(cè)信號(hào)速率的提升，為了保證信號(hào)完整性需要使用更大帶寬的示波器。選擇示波器的帶寬時(shí)，可參考表1。

表1 車載以太網(wǎng)速率測(cè)試所需示波器帶寬

IEEE 802.3協(xié)議和OPEN ALLIANCE針對(duì)各個(gè)不同的速率也明確規(guī)定了不同的測(cè)試項(xiàng)目及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。以最新發(fā)布的10G速率的IEEE802.3ch為例，發(fā)射端物理層的測(cè)試內(nèi)容包括最大輸出壓降，發(fā)射端線性度，抖動(dòng)（確定性抖動(dòng)/隨機(jī)抖動(dòng)），功率譜密度，差分電壓峰值，時(shí)鐘頻率，回波損耗等測(cè)試項(xiàng)目，其中回波損耗需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)試。

工程師憑借調(diào)試低速總線的經(jīng)驗(yàn)，通過手動(dòng)測(cè)試可能無法有效完成這些測(cè)試任務(wù)。例如：在低速總線測(cè)試時(shí)，比較少關(guān)注抖動(dòng)細(xì)節(jié)，更沒有討論確定性抖動(dòng)或隨機(jī)抖動(dòng)的必要。功率譜密度，回波損耗這些指標(biāo)也很少涉及；最大輸出壓降的測(cè)試原理比較簡(jiǎn)單，但是測(cè)試過程繁瑣，要求能夠準(zhǔn)確測(cè)試信號(hào)波形中距離第一個(gè)過零點(diǎn)4ns位置和16ns位置的電壓差。如果手動(dòng)測(cè)試，不僅效率低，而且會(huì)由于人為設(shè)置測(cè)量而造成誤差；高速信號(hào)的測(cè)試對(duì)連接夾具也提出了高要求，不合格的夾具可能導(dǎo)致過大的衰減，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失敗。

一致性測(cè)試方案讓自動(dòng)測(cè)試成為可能

羅德與施瓦茨（以下簡(jiǎn)稱"R&S公司"）的示波器可以提供K24（100base-T1）, K87（1000base-T1）, K88（MultiGbase-T1）, K89（10base-T1）車載以太網(wǎng)一致性測(cè)試軟件。如圖2是RTP系列示波器的10Gbase-T1的軟件界面，支持的測(cè)試項(xiàng)目與IEEE 802.3ch發(fā)射端的定義保持一致。

圖2 RTP-K88 10Gbase-T1測(cè)試軟件界面

以10G速率車載以太網(wǎng)為例，從以下幾個(gè)方面來了解測(cè)試時(shí)的注意事項(xiàng)，以及一致性軟件是如何簡(jiǎn)化測(cè)試過程。

01

在使用示波器捕獲被測(cè)信號(hào)時(shí)，需要按照IEEE 802.3ch的定義，對(duì)不同的測(cè)試項(xiàng)需要配置被測(cè)件發(fā)出指定的波形。需要指出的是，即使使用一致性測(cè)試軟件，也需要工程師能夠控制被測(cè)件能夠發(fā)出正確的測(cè)試波形。例如在測(cè)試MDI Jitter Master mode時(shí)，需要被測(cè)件發(fā)送Test Mode 2波形；在測(cè)試Transmitter Maximum Output Droop時(shí)，需要被測(cè)件發(fā)送Test Mode 6波形。

一致性軟件會(huì)根據(jù)選擇的測(cè)試項(xiàng)目，給出連接向?qū)Ш退璋l(fā)送波形的示意圖，如圖3所示。工程師在開始測(cè)量前可預(yù)先檢查連接情況以及被測(cè)件是否發(fā)出了正確的被測(cè)波形。

圖3 一致性測(cè)試軟件向?qū)?

02

捕獲到符合要求的波形數(shù)據(jù)后，需要根據(jù)規(guī)定的分析方法，經(jīng)過大量的計(jì)算得出各個(gè)測(cè)量指標(biāo)的數(shù)值，進(jìn)而和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比來判斷是否符合需求。

一致性測(cè)試軟件會(huì)大大簡(jiǎn)化分析過程。軟件會(huì)在捕獲到波形后，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，給出測(cè)試指標(biāo)并與IEEE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)保存截圖，匯總生成測(cè)試報(bào)告。如圖4所示為發(fā)送Test Mode 2波形時(shí)，得到的隨機(jī)抖動(dòng)（Random Jitter）的結(jié)果和分布曲線等。

圖4 一致性軟件測(cè)試報(bào)告示意圖

03

在實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性方面，不同的工程師測(cè)試時(shí)或同一工程師對(duì)不同的被測(cè)件測(cè)試時(shí)，會(huì)由于對(duì)示波器的基本參數(shù)設(shè)置的不同，造成測(cè)試結(jié)果的差異，使得結(jié)果難以比對(duì)。而一致性測(cè)試軟件不會(huì)涉及該問題，只需要工程師在測(cè)試時(shí)根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)置合適的參數(shù)（可使用默認(rèn)參數(shù)），方便工程師對(duì)優(yōu)化前后的產(chǎn)品性能做對(duì)比。

04

車載以太網(wǎng)是用于車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)，目前還沒有規(guī)定統(tǒng)一的接口形態(tài)（不同于10/100/1000base-T均使用RJ-45接口）。通常不同廠家甚至同一廠家的不同產(chǎn)品會(huì)具備不同的接口形態(tài)。因此在將被測(cè)件的信號(hào)接入到示波器或者矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)，需要使用高質(zhì)量的夾具以減小對(duì)信號(hào)的影響。

圖5 RT-ZF7A夾具示意圖

R&S公司針對(duì)此連接的需求，也提供了RT-ZF7A夾具。如圖5所示，RT-ZF7A具備優(yōu)秀的射頻性能，一端通過焊接方式連接不同類型被測(cè)接口，另一端通過標(biāo)準(zhǔn)SMA接口連接線纜至示波器端口，保證信號(hào)完整性。

綜上所述

R&S公司可以提供高帶寬示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，并且具備完善的從10M速率至10G速率的車載以太網(wǎng)一致性測(cè)試方案。另外，針對(duì)工程師調(diào)測(cè)總線的需求，R&S公司的示波器也具備100base-T1和1000base-T1的觸發(fā)解碼軟件以及夾具，幫助工程師從容應(yīng)對(duì)新型車內(nèi)總線的研發(fā)與測(cè)試工作。