Рассмотрено применение автомобильного Ethernet. Отмечено, что компания Keysight Technologies готова предложить своим заказчикам полный набор решений для тестирования автомобильного Ethernet.
Рассмотрено применение автомобильного Ethernet. Отмечено, что компания Keysight Technologies готова предложить своим заказчикам полный набор решений для тестирования автомобильного Ethernet.
Ethernet – ключевой компонент современных автомобильных технологий
По материалам компании Keysight Technologies Автомобилестроители всё чаще используют сложные электронные системы для повышения безопасности и удобства водителя, и современный автомобиль может содержать от 30 до 100 электронных блоков управления (Electronic Control Unit, ECU), поддерживающих такие функции, как обеспечение безопасности, управление двигателем, навигация и информационно-развлекательные системы. Современные системы помощи водителю (Advanced Driver-Assistance Systems, ADAS) относятся к одному из самых быстрорастущих сегментов автомобильной электроники, и, по мере роста их популярности, большой объем генерируемых и передаваемых ими данных увеличивает нагрузку на коммуникационные системы внутри автомобиля. Существующие автомобильные последовательные шины не способны поддерживать скорости передачи и полосы, используемые системами ADAS, и не могут масштабироваться для создания будущей надежной платформы, необходимой производителям автомобилей. О возможных подходах к решению этой проблемы рассказывается в статье.
Ethernet, присутствующий сегодня повсеместно в офисах и с недавнего времени на заводах, предлагает потенциальное решение и для автомобилей, но обладает рядом недостатков в том, что касается функций реального времени и возможности работать в условиях сильных помех и жестких климатических условиях, свойственных автомобилю. Признавая потребность в скоростной бортовой коммуникационной сети, альянс OPEN (One-Pair Ethernet – Ethernet по одной паре) принял концепцию, разработанную изначально компаниями BMW и Broadcom, для создания технологии BroadR-Reach, или автомобильного Ethernet.
Помимо поддержки передачи больших объемов данных и высоких скоростей, свойственных системам ADAS, замена традиционных проводных соединений автомобильным Ethernet сулит целый ряд преимуществ, включая до 80% снижения стоимости соединений и до 30% сокращения массы кабелей.
Этот новый стандарт Ethernet меняет устоявшиеся процедуры тестирования, поэтому поставщики, разработчики систем и производители автомобильной электроники должны обеспечить соответствующее тестирование физического уровня, протоколов, совместимости, безопасности и кабелей. Сегодня разработчикам доступен широкий спектр современных контрольно-измерительных решений, позволяющих упростить и ускорить тестирование, что в итоге сокращает время продвижения продукции на рынок.
Эволюция автомобильных технологий Внедрение новых автомобильных технологий сопровождается усложнением автомобильных электронных систем, позволяя использовать такие решения, как информационно-развлекательные системы, ADAS, электронные трансмиссии и кузовная электроника, например, системы входа. В последнее десятилетие число электронных блоков управления (ECU), входящих в средний новый автомобиль, более чем удвоилось, причем выросло не только их количество, но и сложность.
Ключевым стимулом развития этих технологий является безопасность, и в последнее время появился широкий набор соответствующих приложений, включая адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control, ACC), автоматическую систему экстренного торможения (Automatic Emergency Braking, AEB), систему обнаружения слепых зон (Blind-Spot Detection, BSD), ассистента перестроения по полосам (Lane-Change Assist, LCA), ассистента выхода из автомобиля (Vehicle-Exit Assist, VEA) и систему предупреждения о столкновениях (Forward Collision Warning, FCW).
Все эти приложения полагаются на обширную систему датчиков, включая радары, камеры, лидары и ультразвуковые локаторы (рис. 1), которые передают в соответствующий ECU точную и своевременную информацию об окружающей обстановке, позволяя совершать предупредительные и корректирующие воздействия.
В то же время развитие технологий беспроводных сетей сделало возможной концепцию подключенного автомобиля, а с приходом технологии 5G V2X автомобиль сможет обмениваться данными с окружающими объектами, включая другие автомобили, пешеходов, придорожные инфраструктурные объекты и удаленные центры мониторинга. Все эти системы собирают, обрабатывают и генерируют огромные объемы данных – по некоторым сведениям порядка 4 Тбайт в день, – что создает серьезную нагрузку на имеющиеся бортовые коммуникационные системы.
Появление автомобильного Ethernet Такое развитие автомобильных технологий подстегнуло разработку новых последовательных шин (табл. 1), каждая из которых обладает специфическими характеристиками и нацелена на поддержку определенных приложений. Рост числа новых приложений, которые предъявляют свои коммуникационные требования, быстро создал ситуацию, в которой автомобильная электропроводка стала третьим по массе и третьим по стоимости компонентом среднего автомобиля, причем затраты на ее монтаж могут составлять до 50% от общей стоимости сборки.
Высокая стоимость и сложность автомобильных сетей стала влиять на время продвижения новых автомобилей на рынок. Кроме того, устаревшие последовательные шины с трудом справлялись с поддержкой возросших скоростей передачи данных и требованиями новых приложений.
Осознав необходимость создания широкополосной масштабируемой сети, опирающейся на передовую открытую архитектуру, компания BMW в сотрудничестве с Broadcom разработала специальный вариант Ethernet, получивший название BroadR-Reach. Это новое решение для физического уровня Ethernet отвечало автомобильным требованиям к электромагнитной совместимости (ЭМС), сокращая при этом массу проводки за счет применения одной витой пары. Союз BMW / Broadcom привел к созданию альянса OPEN – экосистемы производителей и партнеров, принявших и продвигающих технологию BroadR-Reach и работающих над дальнейшим развитием решений Ethernet PHY для автомобильных приложений. Признав растущую потребность в решениях Ethernet, адаптированных к специфическим требованиям автомобильной промышленности, IEEE выпустил стандарт Ethernet 802.3bw‑2015, известный также как 100BASE-T1, основанный на BroadR-Reach и совместимый с ним. BroadR-Reach представляет собой гибрид протоколов 100BASE-T и 1000BASE-T и использует их лучшие стороны, в то же время улучшая характеристики, наиболее востребованные в автомобильных приложениях. Снижая скорость передачи данных со 125 до 66,67 Мбод, BroadR-Reach может работать по кабелям более низкого качества (и, следовательно, более дешевым) и при этом отвечает самым строгим требованиям, предъявляемым к целостности сигнала в автомобильных приложениях.
OPEN и IEEE продолжают совместную деятельность по разработке автомобильного Ethernet, включая новый стандарт для передачи данных со скоростью 1 Гбит / с по одной витой паре – 1000BASE-T1, поддерживающий также такие возможности Ethernet, как синхронизация по времени (IEEE 802.1AS) и запуск по времени (IEEE 802.3br). Изначально ограниченный диагностикой и прошивкой нового микропрограммного обеспечения, автомобильный Ethernet находит всё более широкое применение в современных автомобилях, постепенно превращаясь в магистральную сеть автомобиля.
Тестирование современных автомобильных систем Успешная реализация любой системы, использующей автомобильный Ethernet, требует создания всеобъемлющего плана испытаний, поддерживаемого соответствующим контрольно-измерительным решением. На рис. 2 показан полный стек протоколов автомобильного Ethernet.
Для проверки совместимости нужно протестировать три точки на физическом уровне (рис. 3) – передатчик, приемник (встроенный в физический уровень Ethernet) и сам канал, который включает кабель и разъемы.
Решения для тестирования доступны для каждой точки, что минимизирует сложность теста и время тестирования. Имеются решения для тестирования приемопередатчика, поддерживающие автоматическое конфигурирование и заранее настроенные на проверку на соответствие стандартам. Кроме того, современное контрольно-измерительное оборудование предлагает графическое представление информации, показывая подключения тестируемого устройства, а также создавая отчет типа «годен / не годен» в формате HTML.
Полное тестирование на уровне канала должно охватывать кабель и разъемы, а также проверять уровни перекрестных помех на протяжении всего коммуникационного канала. На более высоких уровнях стека протоколов нужно проверять автомобильный стек протоколов TCP / IP, а также такие функции, как синхронизация по времени (IEEE 802.1AS), передача видео и звука (IEEE 802.1Qav) и передача данных по расписанию (IEEE 802.1Qbv).
Решения для тестирования передатчиков, приемников, а также кабелей и соединителей стандартов 100 / 1000BASE-T1 автомобильного Ethernet реализуются с помощью широкого спектра измерительного оборудования, включающего в себя: осциллографы, векторные анализаторы цепей, генераторы сигналов произвольной формы и, что немаловажно, специализированную оснастку. Данный набор оборудования позволяет произвести все необходимые измерения как на этапах разработки и отладки, так и на этапах серийного производства или тестирования на соответствие требованиям стандартов.
Всё больше российских компаний-разработчиков и производителей компонентов проявляют интерес к данной тематике. Не лишены подобные системы и интереса со стороны крупнейших отечественных автомобильных заводов. Компания Keysight Technologies первой в России рада предложить своим заказчикам полный набор решений для тестирования стандартов 100 / 1000BASE-T1 автомобильного Ethernet и приглашает в свои офисы для проведения наглядных демонстраций подобных измерений. ●