近年來,隨著汽車技術的發(fā)展,汽車電子產(chǎn)品數(shù)量逐年增加,復雜性日益提高,車內IC增長率已超越所有其他的電子領域。 現(xiàn)在,越來越多的汽車需要配備高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI),大量流媒體數(shù)據(jù)的傳輸要求總線具備更高的傳輸能力。 隨著無人駕駛技術的發(fā)展,汽車需要配備更多的攝像頭、雷達等傳感器,這此感知系統(tǒng)會采集到大量的數(shù)據(jù),要將這此數(shù)據(jù)快速完整地傳輸?shù)接嬎闾幚韱卧?,并及時地做出響應,也對總線的數(shù)據(jù)傳輸能力和可靠性提出 了非常高的要求。
面對汽車發(fā)展的趨勢,對汽車電子總線的要求也越來越高,需要汽車總線具備更高的數(shù)據(jù)傳輸能力,汽車電子單元的復雜件要求汽車總線具備開發(fā)架構, 可擴展、支持更多的系統(tǒng)和設備通信,同時要成本更低、抗干擾能力更強、通信更安全,最好可利用現(xiàn)有成熟的總線技術。 基于這些考慮,以太網(wǎng)技術進入了人們的視線。 但傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要應用于工業(yè)和消費級領域,汽車電子環(huán)境更為嚴酷,應力條件和EMC要求更高,因此傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術在汽車中并不適用。 為了解決這些問題,車載以太網(wǎng)應運而生,具備更高的傳輸速率 (100 Mb/s & 1000 Mb/s),適應嚴苛的汽車電子應用環(huán)境(溫度、應力、復雜電子環(huán)境),成本更低、質量更輕,高可靠性、低功耗,低電磁輻射、滿足特定EMC標準。
2008年,BMW第—次將100Base-T應用到車載診斷系統(tǒng)(OBD)。 2011年,博通推出了BroadR-Reach車載以太網(wǎng)技術,實現(xiàn)以太網(wǎng)從OBD應用到車載網(wǎng)絡的過渡。 2011年11月,由博通、恩智浦、飛思卡爾和哈曼國際發(fā)起的OPEN聯(lián)盟(One-Pair Ethernet Alliance)成立,旨在推動將基于以太網(wǎng)的技術標準應用于車聯(lián)網(wǎng)中。 2014年,BMW-X5成為首款采用BroadR-Reach以太網(wǎng)技術的量產(chǎn)車型。 目前,眾多品牌車型上都使用了BroadR-Reach技術,如寶馬X3、X4、 X5、X6、i3、i8、6系和7系,捷豹XJ、XF,大眾帕薩特等。 未來,將會有越來越多的量產(chǎn)車型采用車載以太網(wǎng)技術。
1. 車載以太網(wǎng)技術
1.1 車載以太網(wǎng)技術簡介
車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內電子控制單元(ECU)的新型局域網(wǎng)技術。 與普通以太網(wǎng)技術采用4對非屏蔽雙絞線傳輸數(shù)據(jù)不同,車載以太網(wǎng)是在單對非屏蔽雙絞線上可實現(xiàn)100 Mb/s甚至1 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 相比普通的以太網(wǎng),能夠更加適應車輛環(huán)境,滿足汽車行業(yè)對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。
1.2 車載以太網(wǎng)協(xié)議架構
車載以太網(wǎng)協(xié)議架構對應OSI參考模型,主要分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層,每一層都有各自的功能,車載以太網(wǎng)的協(xié)議架構圖和支持的應用協(xié)議及協(xié)議簇見圖1。
1.2.1 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層
車載以太網(wǎng)的物理層采用博通公司的BroadR-Reach技術,源于100Base-TX及1000Base-T技術,由博通公司聯(lián)合恩智浦、飛思卡爾、哈曼國際等發(fā)起成立的OPEN聯(lián)盟(One- Pair Ethernet Alliance)進行推動,并成為開放的產(chǎn)業(yè)標準。
BroadR-Reach技術在—對UTP上全雙工傳輸100 Mb/s原始數(shù)據(jù),傳輸距離可以達到5 m,因此,BroadR-Reach技術也稱為百兆以太網(wǎng)技術。BroadR-Reach車載以太網(wǎng)信號具備3電平,采用PAM-3編碼,傳輸頻率66.66 MHz,1 bit時間間隔為15 ns。
BroadR-Reach技術與傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層100Base-Tx相比,采用高度優(yōu)化的擾頻器,可以更好地分離信號,頻譜效率更高。同時,車載以太網(wǎng)的信號帶寬為66.66 MHz,只有100Base-Tx的一半,較低的信號帶寬可以改善回波損耗,減少串擾,并確保車載以太網(wǎng)可滿足汽車電磁輻射標準要求。
BroadR-Reach提供標準以太網(wǎng)的MAC層接口,因而能夠使用與其它以太網(wǎng)類型相同的數(shù)據(jù)鏈路層邏輯功能及幀格式,能夠通過與其他以太網(wǎng)類型相同的方式運行高層協(xié)議和軟件。
車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.3的接口標準,無需做任何示范與修改就可以與普通以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層技術進行無縫接連,并可以支持高層的網(wǎng)絡通信協(xié)議(如 TCP/IP)。
1.2.2 TCP/IP 協(xié)議簇
TCP/IP協(xié)議簇主要對應OSI參考模型的網(wǎng)絡層和傳輸層,是一類協(xié)議的統(tǒng)稱。網(wǎng)絡層主要包括ARP(地址解析協(xié)議)、ICMP(因特網(wǎng)控制報文協(xié)議)、IPv4/v6(因特網(wǎng)協(xié)議類型4/6)、IPv4 Autoconfig(IPv4 本地地址動態(tài)配置)等,傳輸層主要包括TCP(傳輸控制協(xié)議)、UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)。
TCP/IP 協(xié)議簇是網(wǎng)絡協(xié)議棧的中心部分,是上方的應用協(xié)議和下方的物理硬件通道之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接點,起到高層應用與網(wǎng)絡協(xié)議之間的橋梁作用。車載以太網(wǎng)的 TCP/IP協(xié)議簇所包含的協(xié)議,和普通以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議基本相同,可以支持更上層的協(xié)議。
1.2.3 應用層協(xié)議
車載以太網(wǎng)應用層協(xié)議對應OSI參考模型的5-7層,直接面向用戶。協(xié)議主要包括SOME/IP(基于IP協(xié)議的可伸縮面向服務中間件)、DHCP(動態(tài)主機配置協(xié)議)、DOIP(汽車診斷服務協(xié)議)、HTTP(超文本傳輸協(xié)議)、Service Discovery(服務發(fā)現(xiàn))等。應用層協(xié)議可以為用戶提供多種服務,是用戶能夠具體應用的部分。如DOIP可以應用到車輛診斷和固件升級。
1.2.4 AVB協(xié)議簇
汽車隨著技術的發(fā)展,增加了越來越多的語音、視頻、圖像等娛樂功能,同時也增加了輔助駕駛功能,這就對汽車內部的數(shù)據(jù)傳輸提出了很高的要求,需要大量的傳輸語音視頻數(shù)據(jù),為了滿足車內的低延時、高帶寬、高可靠的要求,可以使用基于以太網(wǎng)的音視頻橋技術 (AVB)。AVB是一系列IEEE 802.1標準集合,主要用于提升信息交換的容量、行業(yè)支持和AV產(chǎn)品的標準化。音視頻橋通常指交換機,其目的是為音頻和視頻數(shù)據(jù)提供時間同步、低延遲和保證帶寬預留的流媒體功能。AVB協(xié)議簇主要包括時間敏感應用時序和同步協(xié)議、流預留協(xié)議(SRP)、隊列及轉發(fā)規(guī)則(FOTSS)、音視頻傳輸協(xié)議(AVBTP)。
2. 車載以太網(wǎng)標準化
車載以太網(wǎng)為了投入使用,形成一個產(chǎn)業(yè),需要標準化。通過標準化,打通行業(yè)上下游的產(chǎn)業(yè)鏈,同時縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及后期的維護。車載以太網(wǎng)標準化的過程中,OPEN聯(lián)盟、IEEE 802.3和IEEE 802.1工作組、AU- TOSAR聯(lián)盟和AVnu聯(lián)盟起到了巨大的推動作用1,現(xiàn)階段標準化的情況見表1。
隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展,ISO國際標準化組織也開始關注車載以太網(wǎng),并將車載以太網(wǎng)標準納入到網(wǎng)聯(lián)汽車標準體系中,ISO/TC22工作組目前正在制定車載以太網(wǎng)標準,具體見表2。
3. 車載以太網(wǎng)測試
現(xiàn)在,汽車行業(yè)對可靠性和安全性要求越來越高,車載以太網(wǎng)在應用的過程中,為了保證其可靠性與安全性,就迫切需要對其開展測試工作。 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)測試和車載以太網(wǎng)測試還存在著一定的差異,因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)測試方法并不適用干汽車以太網(wǎng)測試。 汽車行業(yè)對測試的要求更高,所以需要由相應的組織或聯(lián)盟制定車載以太網(wǎng)測試標準。 目前,業(yè)界通用的車載以太網(wǎng)測試方法參考OPEN聯(lián)盟制定的TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification2)和TC-11 Ethernet Switch Test Specification回標準,測試的內容主要包括物理層測試、車載以太網(wǎng)交換機測試、協(xié)議層與應用層除了AVB/ TSN以外的一致性測試。 下面就這些測試內容和測試方法做具體的介紹。
3.1 物理層測試
車載以太網(wǎng)物理層測試主要包括兩個方面的測試∶PMA(Physical Media Attachment)測試和IOP(Interoperability)測試,即互操作性測試。 物理層測試的目的是為了保證端口的互連互通性能,檢測發(fā)送器和接受器發(fā)送或接收信號是否符合汽車通信標準。
3.1.1 PMA測試
PMA (物理媒質接入層)主要評估車載以太網(wǎng)的電氣特性,針對PMA測試方面,OPEN聯(lián)盟于2014年6月發(fā)布" BroadR-Reach Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications V3.2"規(guī)范標準,定義了BroadR- Reach的PMA電氣規(guī)范。 在OPEN TC8規(guī)范中,測試的內容主要包括6種常規(guī)測試項∶ 傳輸衰落、傳輸失真、傳輸時鐘抖動(Master&Slave)、傳輸功率譜密度、傳輸時鐘頻率、 MDI回損,還有其他的測試項∶MDI模式轉換損耗、共模輻射等。
測試過程中,需要用到的儀器主要有示波器、矢量網(wǎng)絡分析儀、分析軟件、夾具等,夾具連接在被測設備(DUT)和示波器之間,起到電路轉換的作用,設備連接示意圖如圖2所示。 根據(jù)被測對象的特點和測試項的不同,分別連接不同的測試儀表。
測試過程中,為了完成不同的測試項,需要將DUT PHY通過修改寄存器的方式設置為不同的測試模式,使其發(fā)出特定的數(shù)據(jù)包,BroadR-Reach中定義了4種測試模式。
測試模式1-發(fā)射下垂測試模式。
2)測試模式2-在MASTER模式下進行傳輸抖動測試。3)測試模式4-發(fā)射失真測試。
測試模式5-全功率正常工作(對于PSD掩模)。
3.1.2 IOP測試
車載以太網(wǎng)物理層IOP測試,即互操作性測試(Interop- erability Tests),用于驗證車載以太網(wǎng)PHY(通常也稱為收發(fā)器)的可靠性和檢查PHY能否在給定的有限時間內建立穩(wěn)定的鏈路; 還用于車載以太網(wǎng)PHY的診斷,如信號質量指數(shù)(SQI)和線束故障的檢測。 模擬車載以太網(wǎng)遠、近端的開、短路故障作為Link Partner,與DUT建立連接,獲取兩者之間的Link Up時間(精度可達1ms)、信號品質指數(shù)以及電纜診斷信息。
IOP測試的內容主要包括以下幾項。
1)喚醒時間 (Link-up time)
對Link Partner的PHY進行多次上、下電操作,計算 DUT與Link Partner建立連接所需要的時間; 對DUT進行多次上、下電操作,計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間; 對DUT進行多次喚醒、睡眠操作,計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間。
2)信號品質
逐步提高人工噪聲水平,獲取信號品質指數(shù)SQI的變化曲線; 逐步降低人工噪聲水平,獲取信號品質指數(shù)SQI的變化曲線。
3)線束診斷
測試DUT在遠端或近端發(fā)生一條或兩條線路開路時,是否能夠可靠地檢測到開路故障; 測試DUT在遠端或近端發(fā)生短路時,是否能夠可靠地檢測短路故障。
測試過程中,采用Golden Device作為Link Partner,測試的連接示意圖如圖3所示。
圖3物理層IOP測試連接示意圖
3.2 交換機測試
車載以太網(wǎng)的交換機測試,是對車載以太網(wǎng)交換機常規(guī)數(shù)據(jù)幀收發(fā)相關功能的測試,測試的規(guī)范主要是TC-11 Ethernet Switch Test Specification 標準,測試的內容如下。
1)通用功能
數(shù)據(jù)幀正常轉發(fā)、端口鏡像、端口禁用、處理巨型幀、讀出設備ID等基本功能。
2)地址解析功能
地址學習、地址老化時間、地址解析表、地址學習配置模式等功能。
3)虛擬局域網(wǎng)功能 (VLAN)
TPID以太類型字段自由配置功能、雙標簽Q-in-Q功能、非標簽數(shù)據(jù)幀支持、VLAN跳躍攻擊抑制、共享VLAN學習等功能。
4)基于時間敏感網(wǎng)絡的時間同步功能(TSN)對接收到的時間同步的幀正確處理的功能。
5)服務品質(QoS)
對優(yōu)先級流量正確處理和實現(xiàn)不同流量整形策略的功能,包括基于優(yōu)先級的服務品質、基于WRR轉發(fā)數(shù)據(jù)包功能、PCP字段覆蓋功能、優(yōu)先級映射功能、支持漏桶算法功能等。
6)配置功能
運行中可重新配置的功能,端口可單獨配置功能、配置完成前支持在 "禁止轉發(fā)"模式下啟動的功能、讀回配置信息功能、支持鎖定配置項功能等。
7)過濾功能
在接收端口是否能按照設定,對接收到的數(shù)據(jù)幀進行過濾的功能,包括端口廣播保護功能、通用過濾需求、與 VLAN相關的過濾規(guī)則、基于上層地址的過濾規(guī)則等。
8)診斷功能
計數(shù)器能否正確計數(shù)診斷、線纜和連接狀態(tài)反饋功能的診斷等。
測試過程中,可以將測試平臺作為流量發(fā)生器,發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)報文,由與之相連的計算機上的軟件對報文的類型進行配置,在軟件上對測試項的結果進行檢查。 與DUT相連的計算機也對DUT的工作模式進行配置。 測試連接示意圖如圖4所示。
圖4交換機測試連接示意圖
3.3 協(xié)議一致性測試
協(xié)議一致性測試(protocol conformance test),指的是檢驗開放系統(tǒng)互連(OSI)產(chǎn)品的協(xié)議實現(xiàn)與 OSI協(xié)議標準一致性程度的測試。車載以太網(wǎng)2層到7層除了 AVB/TSN以外的協(xié)議一致性測試的測試項目和測試過程以及測試判據(jù)主要依據(jù) TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specifi- cation標準。
測試項主要為了驗證兩個方面的內容∶
①Con- formance test——驗證被測設備/系統(tǒng)是否遵循協(xié)議標準;②Negative test——通過發(fā)送非法報文驗證被測設備/系統(tǒng)的穩(wěn)定性/魯棒性。
測試時,需要在DUT上安裝輔助測試工具Upper Tester。Upper Tester(UT)本質上是一個運行在DUT中的應用,它能夠接收測試平臺發(fā)送的指令,來配置被測協(xié)議棧 (IUT)的參數(shù),或觸發(fā)被測協(xié)議棧產(chǎn)生某種行為。UT支持的指令和格式遵循AUTOSAR體系下的"Testability Protocol and Service Primitives"規(guī)范。將測試平臺與DUT連接,選擇對應的協(xié)議測試套件與DUT進行特定的通信,配置測試套件的參數(shù),如IP、MAC地址等,結合Upper Tester的輔助作用對指定協(xié)議的測試項開展測試,測試平臺收集測試數(shù)據(jù),生成測試報告。測試設備連接示意圖如圖5所示。
圖5協(xié)議一致性連接示意圖
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:車載以太網(wǎng)測試
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