車載網路

意法半導體(ST)日前推出智慧閘道平台(Smart Gateway Platform, SGP)，為車用智慧閘道器及網域控制應用原型開發提供有用的開發工具。 隨著汽車架構逐漸整合高傳輸車用網路和高速雲端聯網，車用市場對高性能智慧閘道器和網域控制電控單元(Electronic Control Unit, ECU)的需求日漸提升。 意法半導體模組化智慧閘道平台(SGP)，建構在安全的ASIL-B Telemaco3P微處理器(MPU)與ASIL-D SPC58/Chorus微控制器(MCU)之間的Gigabit乙太網路通訊，不僅具有強大的處理能力，還可以執行防火牆、預測性維護、韌體無線升級(OTA)功能，以及ECU之間和車用雲端之間的高速資料通訊。 Chorus微控制器多個CAN-FD介面提供低功耗即時安全車載聯網功能，而Telemaco3P MPU則採用雙核Arm CortexA7處理器，其支援Posix OS作業系統，擴大閘道器的運算能力。嵌入式安全模組還可以進行OTA無線韌體更新、防火牆和預測性維護功能。 SGP參考設計具有豐富的車載網路介面，包括多個乙太網路和CAN埠並支援LIN和FlexRay聯網技術，其配備資源豐富的入門開發包，包括硬體設計檔、軟硬體開發文件、軟體實用工具(驅動程式和更新程式)以及和範例應用程式。 SGP另整合連接Wi-Fi和LTE模組的擴充介面，可用於開發具有雲端聯網模擬需求的完整範例原型。閘道器的模組化體系結構是平台輕鬆擴充運算性能、網路連接和軟體處理的良好框架。

對車載網路(IVN)而言，速度、容量和可靠性等因素具有重要的意義。目前，在高速、低延遲的應用中，如控制器區域網路(CAN)、FlexRay、區域互連網路(LIN)、媒體導向的系統傳輸(MOST)和單邊半位元組傳輸(SENT)等專用匯流排缺少所需的頻寬。因此，這些舊式標準正逐漸被淘汰，改由資訊技術(IT)領域中的成熟技術所取代。 現今的關鍵範例即是汽車乙太網路，其涵蓋美國電機暨電子工程師學會(IEEE)所支援的四個標準。目前，汽車乙太網路將與跨越多個系統和子系統的多條匯流排共存。因此，在車輛和IVN的設計、驗證、除錯、疑難排解、維護和維修中，必須採用不同的測試方法。 本文概述與IVN的預期未來發展相關的趨勢、挑戰和解決方案。本文目標不是讓讀者成為該主題的專家，而是協助其奠定扎實基礎，以更深入進行IVN測試，進而讓讀者暨相關團隊將能加速讓新設計投入生產、簡化驗證測試、增強相容性測試、最佳化生產測試，以及簡化服務和維修後測試。 未來網路承載資料量/速度將大幅增加 如今，許多汽車皆包含80個以上的電子控制單元(ECU)。迄今為止，CAN、LIN、FlexRay、MOST和SENT等標準已在這些ECU和各種車載系統之間傳遞資訊：引擎、動力總成、變速器、剎車、車體、懸吊系統、資訊娛樂系統等(表1)。此外，蜂巢式和非蜂巢式無線技術(如Bluetooth、WLAN和GNSS)正在將外部資料串流傳送至資訊娛樂、導航和交通資訊系統。 表1　在主要的汽車系統中，不同的匯流排和資料速率可提供必要的通訊 在未來數年內，預計每輛車將會包含超過100個ECU，且連線的車內網路每天將要承載數TB的資料；且汽車估計將持續利用CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay、SENT和MOST；不過，目前最高資料速率在FlexRay中為10Mbps，在MOST中則為150Mbps。換句話說，單純的「更快速」願望談何容易—普及的CAN匯流排將需要進行大規模的重新設計，以提供必要的速度、安全性和向後相容性。 隨著感測器數量增加和靈敏度提高，系統將會產生大量的資料：想像一下，有10至20部攝影機，提供360度視角，可全部傳送1080P(現在)或4K(未來)HD串流，且畫素深度從16至20(甚至是24)位元。這些數字會非常迅速地積少成多使得一部具有24位元畫素深度的4K攝影機將以每秒10至30個訊框的速率、每個訊框產生199MB。儘管現在1Gbps的速率可能已足夠，但很快將必須達到10Gbps(圖1)。 圖1　更多的系統會產生更多機載資料，這也推動對越來越多的感應器和ECU之間更快的資料速率和更寬頻寬的需求 目前IVN使用預處理硬體，在感測器處執行資料縮減(即壓縮)。不幸的是，這會導致延遲，影響反應時間，同時還降低影像品質，進一步限制有用的偵測距離。目前有一種新興的解決方案是將2至8Gbps的原始資料串流傳輸到晶片上的集中式系統(SoC)或通用處理單元(GPU)，這些資料可以處理傳入的即時資料。IVN正在從平面架構過渡到網域控制器架構；在該架構中，感測器會將原始資料串流傳輸到中央處理單元。 必要通訊串流正在擴大，並與車輛到基礎設施(V2I)、車輛到車輛(V2V)和車輛到所有事物(V2X)發展息息相關。這些均將在車輛操作和人機互動中發揮重要作用。 汽車乙太網路於高速通訊扮要角 在汽車應用中，資料的最佳利用需要更快的輸送量、更低的延遲、更高的可靠性和更高的服務品質(QoS)，以確保車輛的安全及可靠操作。隨著速度達到10Gbps，汽車乙太網路將在承載高速資料通訊方面發揮越來越重要的作用：IEEE 802.3cg，10BASE-T1，10Mbps；IEEE 802.3bw，100BASE-T1，100Mbps；IEEE 802.3bp，1000BASE-T1，1Gbps；以及IEEE 802.3ch，10GBASE-T1，2.5/5/10Gbps。 考量可用資料速率和對此類效能日益成長的需求，以及減少布線重量的期望，許多產業觀察家對汽車乙太網路普及率和連接的車載節點數量皆發布樂觀的預測。 產業標準化將迎新優勢 在整個汽車產業的歷史中，有一種歷史悠久的良好作法始終沒有改變：標準化。標準化作法之所以能夠歷久彌新，全是因為此作法可帶來重要的優勢，如供應商之間的競爭提升、組件成本降低，並確保互通性。 匯流排資料速率/支援拓撲為比較標的 在查看不同的匯流排時，比較每種匯流排的最大資料速率和其支援的網路拓撲類型是實用的資訊(表2)。 表2 主要汽車匯流排適合特定的任務範圍，但相較於以乙太網路為基礎的網路而言，這也使其通用性較差 汽車乙太網路還新增「交換結構」功能，可在區域網路(LAN)中提供高效效能。此功能會利用硬體和軟體的組合，並搭配多個乙太網路交換機來控制往返網路節點的流量。光纖網路知道其所有路徑、節點、需求和資源。在此框架內，可用的位址空間為224，可連接多達1,600萬個節點或裝置。 在新一代的IVN領域中，標準化的例子包括汽車乙太網路、MIPI A-PHY和HDBaseT車用電子。利用來自IT領域的可靠技術，隨著未來的車輛成為車輪上的資料中心，汽車產業將獲得重要的新優勢。 IVN測試於生命週期越發重要 隨著車輛達到更高的自主性，系統故障的潛在後果亦變得更加嚴重。為了協助確保此類系統的安全、可靠運作，車載網路的測試在車輛的整個生命週期中都變得越來越重要(圖2)。 圖2　在整個生命週期內維持測試一致性，將能有效避免系統故障，進而使越來越多的自動駕駛汽車能安全可靠運作 因此，仔細選擇系統設計工具和IVN測試解決方案，以充分滿足汽車生命週期所有不同階段的需求，將可為一級供應商、汽車OEM和汽車終端使用者帶來深遠的好處。 多匯流排測試並排運作挑戰多 現今的車輛採用多個同時運作的通訊匯流排。因此，系統最佳化和除錯作業既困難又耗時。在車輛的有限空間內平行使用所有技術，可能會導致電磁干擾(EMI)、訊號品質差等狀況，甚至可能導致嚴重的系統故障。 測試車載網路需要檢查整個車輛內部和整個車輛的可靠性、互通性、抗雜訊能力、串音和干擾源。驗證操作功能和通訊可靠性將遍及車輛內部每個ECU管理和匯流排連接的系統(圖3)。隨著車輛的資料密集度越來越大，測試對於確保生命週期各個階段(開發、驗證、生產、維護和服務)的安全、可靠運作至關重要。 圖3　網路架構範例，此架構使用汽車乙太網路作為中心集線器，用於與目前依賴於各種專用匯流排的各種系統進行通訊 測試挑戰1：除錯匯流排問題 CAN、LIN和FlexRay是相對成熟的匯流排通訊協定，而且設計堅固並易於整合。即使如此，車載通訊也會受到雜訊、電路板布局以及通電/斷電時序的影響，其中的問題可能包括過多的匯流排錯誤和鎖定。 使用CAN、LIN和FlexRay時，常見的問題包括訊號故障的疑難排解、除錯解碼通訊協定，以及瞭解多個通道、感應器和致動器。使用SENT時，則難以先配置示波器以解碼快速通道和慢速通道SENT訊息，然後再觸發解碼後的資訊。 如上所述，在車輛的近距離內同時運作的多條匯流排會產生EMI，進而導致訊號品質較差。預相容性測試可協助讀者隔離並確定訊號品質問題和匯流排效能問題的原因。如同CISPR 12、CISPR 25、EN 55013、EN 55022(由EN55032取代)和CFR Title 47，第15部分等相關標準相較，此測試還將提高讀者通過EMI和電磁相容性(EMC)正式測試的能力。 測試挑戰2：驗證電氣相容性 若要讓整個系統維持安全的運作，使用者必須確保可靠、低延遲的資料輸入/輸出車輛，或在車輛內傳輸。與CAN、LIN和其他產品不同，汽車乙太網路具有一套由IEEE和開放汽車聯盟(OPEN Alliance)定義的複雜的相容性測試套件，其中包括確保符合標準的電氣要求。這些測試通常會在設計、驗證和生產期間執行。 使用汽車乙太網路時，實體(PHY)層電氣測試涵蓋了發射器/接收器(收發器)效能的幾個關鍵屬性，如表3所示。具體目標是測試實體介質附件(PMA)與各種電氣參數的相容性。圖4顯示一個主發射器時序抖動測試的範例。有鑑於嚴格的相容性限制，以及需要消除任何可能的隨機或確定性抖動來源，主機和從屬裝置抖動量測可能會極具挑戰性。 圖4　主發射器時序抖動分析顯示了30.68ps的時間間隔誤差(TIE)，這是使用Tektronix 5/6系列MSO示波器和選配5-DJA/6-DJA量測所得出 表3　汽車乙太網路標準包括電氣量測，這些量測可分析透過單一UTP電纜所傳輸的訊號品質特性 測試挑戰3：驗證通訊協定相容性/系統效能 數位訊號的常見心理圖像是簡單的方波狀脈衝序列，具有兩個等級，指示「一」或「零」。實際上，大多數數位通訊網路使用多個等級來編碼每單位時間的更多資訊。有一種常見的方法稱為脈衝振幅調變(PAM)。 汽車乙太網路使用一種稱為三級PAM或PAM3的技術，以在相同的時脈頻率下達到更高的資料速率；在PAM3中，每個位準均須在特定的電壓位準下且在相對嚴格的容限範圍內。 這些訊號可能非常複雜，但是以示波器為基礎的量測(稱為眼圖)這種相對於訊號編碼要求(即通訊協定測試)確定訊號效能的視覺有效方式。眼圖的關鍵尺寸是其高度、寬度、線性和厚度(圖5)。結合這些資料將可提供實用的資訊，用以瞭解訊號如何可靠且正確傳遞編碼的資訊。 圖5　累積眼圖是一種可視化和分析一或多個週期內的多位準訊號特性的有效方法 務必留意的是，汽車乙太網路利用全雙工操作，這意謂著兩個連結的裝置可同時傳送和接收資料。相較傳統共用網路，其提供三個優點。首先，兩部裝置均可立即傳送和接收，而毋需輪流使用；其次，系統具有更大的聚合頻寬；第三，全雙工可在不同的裝置配對(如主從裝置)之間同時進行對話。 在這種複雜性中，汽車工程師面臨另一個挑戰：使用PAM3訊號進行全雙工通訊，不僅難以視覺化汽車乙太網路流量，亦無法完整分析訊號完整性。為了在連結上執行訊號完整性分析，並在實際系統環境中(使用示波器)對通訊協定進行解碼，設計人員需要分別查看每個連結，而此步驟要求在執行任何類型的分析之前先將訊號分隔。圖6和圖7對此狀況予以說明，而圖7則是採用太克(Tektronix)的創新型非侵入式訊號分離解決方案作為示例。 圖6　若不分離主從訊號，則難以理解該汽車乙太網路訊號的眼圖(頂部) 圖7　應用Tektronix的非侵入式訊號分離軟體，可以清晰看到主訊號的眼圖 節點之間的可靠通訊對於汽車的運作極為重要。因此，本文強烈建議在各種環境條件下使用不同的電纜長度、注入的雜訊等，在系統層級測試訊號完整性和通訊協定。 測試挑戰4：疑難排解/除錯中六大問題 無論問題是匯流排效能、EMI、電氣相容性，或是通訊協定相容性，皆由兩個基本屬性決定訊號品質，並因此決定資料效能：振幅和時序。為確保數位資訊能在匯流排上成功傳輸，必須在兩個向度上皆精確操作。在更快的匯流排速率和越來越複雜的訊號調變技術(如PAM3)下，此要求變得更加困難。 在開始除錯時，有六個問題特別常見，並且有一些眾所周知的根本原因： ・振幅問題：振鈴、動態載變電壓、矮波脈衝 ・邊緣像差：電路板布局問題、不正確的終端、電路問題 ・反射：電路板布局問題，不正確的終端 ・串音：訊號耦合、EMI ・接地反彈：過多的電流消耗、電源供應器中的電阻和接地迴路 ・抖動：雜訊、串音、時序不穩定 示波器是優先選擇的量測工具，但是由於沒有足夠的頻率涵蓋範圍、通道數、附件或螢幕上分析功能，導致疑難排解和除錯作業變得繁瑣且耗時。 標準化為IVN測試最佳解 如前所述，標準化一直是汽車產業長期以來的最佳作法。退一步談，這個相同的概念可應用於IVN測試解決方案的選擇。 透過統一的測試方法進行標準化將可協助讀者管理測試成本，如選擇一個可以輕鬆適應更高速度的測試平台，將使測試和量測解決方案支出更加有效。 在現實世界中，人們需要考量到車輛及其車載系統整個生命週期內的組織職責分野。若沒有統一的策略，通常的作法將導致在不同的測試組間的隨機測試硬體和軟體逐漸累積。 不幸的是，零散建立解決方案的方法並不足以對整合式系統或子系統進行有效的端到端測試。較可能的結果是開發團隊內部或跨活動(如開發、驗證、生產和服務)的量測結果不一致，而且測試時間會增加。 進一步仔細研究解決方案的一般屬性和特定屬性，這些屬性將有助於讀者降低測試成本，同時可確保在整個車輛生命週期中的結果一致。 概述解決方案一般屬性 在所有類型的IVN中，測試解決方案均須使讀者能查看原始的即時訊號和解碼的匯流排流量。透過CAN、FlexRay、LIN和SENT等成熟的標準，具有通訊協定解碼功能的示波器可用於查看和評估訊號品質，以及解碼後的匯流排流量。這些功能可協助讀者查看對系統效能有不利影響的相容性悖離行為。 對於汽車乙太網路而言，通過相容性測試的能力對於半導體製造商和一級供應商而言皆是不可避免的障礙。在正式的相容性測試之前執行詳細的訊號資格驗證程序，將可提升通過所需測試的可能性。 讀者可使用涵蓋所需頻率頻寬的示波器，並搭配適當的探棒、夾具、訊號源和軟體(如通訊協定解碼和分析)，來執行必要的汽車匯流排量測。如CAN匯流排是差動訊號。雖然示波器可使用單端探測方法來擷取和解碼匯流排，但使用差動探測方法將可提高訊號完整性和抗雜訊能力。 典型的測試過程是使設計經受多種操作條件(包括壓力測試)的影響，並分析其效能特性。關鍵量測包括電壓和時序量測、抖動分析和眼圖分析(如PAM3訊號)。如有需要，應可較易將結果與個別相容性測試串聯，而且更有價值的是，在整個供應鏈中相關—半導體製造商、一級供應商和OEM。 有廠商如Tektronix直接與汽車產業的工程師、第三方解決方案提供商和標準組織合作，為車載網路的驗證、疑難排解和相容性建立一系列創新的解決方案，該方案包括示波器、探棒、訊號源、頻譜分析儀和軟體。透過已針對應用進行最佳化處理的軟體解決方案，讀者可配置這些解決方案以解決CAN、CAN-FD、FlexRay、LIN、SENT、汽車乙太網路等問題。該軟體應用程式可提供進階分析功能，並透過自動化程序、量測和報告等功能有效節省時間。表4概述該解決方案在三個關鍵領域中的測試和分析：訊號品質、PMA發射器相容性和專用匯流排。 表4　可以輕鬆為車載網路應用建立正確的解決方案 IVN傳輸能力需不斷進步 確保可靠、低延遲的資料，在現代汽車內匯入/匯出及內部傳輸是整個系統維持安全、可靠運作的基本要求。考量到目前和未來車輛設計中所使用的匯流排數量，達成此目標就變得越來越困難。 在缺乏周全考量的情況下，由於各個測試部門之間須逐步累積硬體和軟體測試，導致常規作法陷入典型多年開發時間軸中。不幸的是，零星建立解決方案的方法並不足以對整合式系統或子系統進行有效的端到端測試。由此可能產生的結果是在測試解決方案方面支出效率低下，並且同樣令人擔憂的是，開發團隊內部、部門之間或整個供應鏈中的量測結果不一致。 在所有主要的IVN以及整個車輛生命週期中，該方案可協助讀者和讀者的團隊更快速讓新設計投入生產、加速驗證測試、增強相容性測試、最佳化生產測試，以及簡化服務和維修後測試。最終結果便將顯著提高滿足成本和進度等計畫目標的能力。 (本文作者任職於太克)

為提升未來自駕車聯網功能及強化市場競爭優勢，恩智浦(NXP)近期宣布收購汽車乙太網子系統技術提供商OmniPHY。OmniPHY的專業技術包含汽車乙太網，此技術能實現自動駕駛所需的快速資料傳輸，透過整合OmniPHY的先進高速傳輸技術與NXP在車載網路領域的產品與經驗，將為汽車製造商提供新一代資料傳輸解決方案。 恩智浦半導體汽車微控制器暨處理器事業部亞太市場總監易生海表示，「互聯網+人工智慧」已逐步滲透進入人們的生活中，汽車已成為搭載多種智慧晶片的智慧移動終端，並透過V2X技術與其他車輛和基地台實現無線通訊，將車輛周圍的資料資訊進行分析與處理，這也代表著汽車須要傳輸、處理更多訊息流量。 換句話說，隨著對更高資料容量與速度的需求增長，汽車網路正經歷一場變革，以滿足自動駕駛程度日益提高的互聯車輛要求。全新的先進自動駕駛系統將需要千兆級以上的資料傳輸速度，未來自駕車上的所安裝的攝影機、高解析度雷達、光達(Lidar)及V2X功能，都將為汽車網路帶來嚴峻的數據傳輸挑戰。 市場研究機構Strategy Analytics全球汽車業務執行總監Ian Riches指出，在自動駕駛時代，如何以最快速度傳輸汽車相關資料是個棘手問題。到2020年，攝影機及顯示螢幕將使汽車的高速鏈結(High-speed Link)數量增加至1.5億，而在2030年前，自動駕駛汽車系統的高速鏈結數量將飆升至11億。   因應此一趨勢，許多製造商開始使用企業網路解決方案作為臨時措施以進行功能測試。然而，長期解決方案將須達到車用級規格，且尺寸及重量也須減少以便於實施。在被NXP收購之前，OmniPHY已經開始為汽車領域提供1000BASE-T1的車用乙太網技術，而NXP在購併OmniPHY後，預計將旗下的汽車電子產品組合與OmniPHY的介面IP、通訊技術相結合，組成汽車乙太網一站式解決方案，兩家公司的技術合作效應將針對進階流程的1.25~28Gbps PHY設計及10、100與1000BASE-T1乙太網展開，進一步提升市場競爭優勢。