基于國產(chǎn)交換芯片的網(wǎng)關(guān)控制器研究

田輝 王強 楊莉 宋金海 楊柄楠 趙曉雪 趙楠楠 趙目龍

（1.中國第一汽車股份有限公司智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：網(wǎng)關(guān)控制器 交換芯片 主動散熱 故障診斷 大數(shù)據(jù)交換

縮略語

CAN Controller Area Network

CPU Centre Process Unit

PCI Peripheral Component Interconnect

PCIe peripheral component interconnect express

SoC Systemon Chip

PHY physical layer

RGMII Reduced Gigabit Media Independent Interface

IVI In-Vehicle Infotainment

T-box Telematics BOX

GPIO General Purpose Input Output

HIL Hardware In Loop

1 前言

隨著汽車上控制器的數(shù)據(jù)量逐漸增多，控制器之間的數(shù)據(jù)交互量呈指數(shù)增加，原來500 kbit/s傳輸速度的CAN數(shù)據(jù)通信速率提高到百兆級的車載以太網(wǎng)通信和千兆以太網(wǎng)通信，對數(shù)據(jù)的速率和延時有了更高的要求。逐漸增加的電子模塊給汽車總線帶來了更大的負載強度，在保證音視頻影像數(shù)據(jù)交互的同時又能保證傳輸速度，成為汽車行業(yè)研究的重點。2017年以來，汽車行業(yè)內(nèi)對網(wǎng)關(guān)控制器的需求，呈現(xiàn)爆發(fā)式的發(fā)展，網(wǎng)關(guān)控制器主要作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能.非易失性存儲器中的通道配置參數(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由表可動態(tài)更新,實現(xiàn)不同控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能,進而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器的平臺化設計。在網(wǎng)關(guān)控制器開發(fā)過程中，為了考核網(wǎng)關(guān)控制器的性能和參數(shù)，滿足車載以太網(wǎng)的應用，完成網(wǎng)關(guān)控制器和交換芯片的國產(chǎn)化，需要建立網(wǎng)關(guān)控制器開發(fā)性能參數(shù)指標和方法標準。

2 網(wǎng)關(guān)控制器評估依據(jù)

依據(jù)車載以太網(wǎng)開發(fā)標準，評估網(wǎng)關(guān)控制器的數(shù)據(jù)延時，散熱處理，模擬電路診斷故障處理，大數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定性4個方面。數(shù)據(jù)延時要求小于500μs,以保證整車數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，網(wǎng)關(guān)控制器包含CAN總線和以太網(wǎng)總線2類。CAN總線是車載網(wǎng)絡系統(tǒng)使用最為廣泛的總線技術(shù),網(wǎng)關(guān)使用車載以太網(wǎng)通信技術(shù)保證了在數(shù)據(jù)傳輸過程中的穩(wěn)定性以及傳輸速率。散熱要求芯片表面溫度與環(huán)境溫度差別的10℃，內(nèi)核溫度與芯片表面溫度差距在10℃，模擬電路具備診斷通訊數(shù)據(jù)故障做備用交換電路切換功能，大數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定性具備在汽車壽命周期內(nèi)芯片及控制器正常運行。利用交換芯片內(nèi)部的CPU來實時對4個評估指標進行監(jiān)控，重要的限值和診斷處理方法通過PCIe接口由應用算法來設定，并截取部分信息傳遞給駕駛員。PCIE即PCIExpress，是第3代高性能總線接口,在計算機和通信平臺領域廣泛地應用在外圍設備互連上。PCIE的突出特點是能夠通過將數(shù)據(jù)分路傳輸以實現(xiàn)高速傳輸,其物理層支持×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32通道帶寬，每一個傳輸方向的一個通道就可提供2.5 Gbit/s的帶寬,通道數(shù)加倍帶寬也加倍。目前，帶寬最高可達到10 Gbit/s,而且還有相當大的發(fā)展?jié)摿Α０凑站W(wǎng)關(guān)控制器開發(fā)要求實現(xiàn)以下6大目標：

（1）評估數(shù)據(jù)延時及交換能力；

（2）基于國產(chǎn)交換芯片，對交換延時進行實時監(jiān)控；

（3）對芯片消耗電流進行監(jiān)控，并根據(jù)熱阻進行熱仿真模型搭建；

（4）利用芯片內(nèi)晶圓的溫度傳感器進行溫度讀取處理；

（5）在晶圓中做物理層失效的備用電路進行切換；

（6）汽車壽命周期內(nèi)計算控制器和芯片壽命，建立等效計算模型。

網(wǎng)關(guān)控制器主要作用是在汽車生命周期內(nèi)提供有效的網(wǎng)絡信息傳輸功能，并要求控制器內(nèi)所有芯片至少滿足AEC-Q100 Grade2標準。

3 開發(fā)方法及關(guān)鍵因素

為保證數(shù)據(jù)延時小于500μs,首先需要外部CPU盡量少參與到網(wǎng)關(guān)交換功能，通過交換芯片內(nèi)部的內(nèi)核對芯片內(nèi)部路由表和交換配置進行管理。子網(wǎng)絡之間通過網(wǎng)關(guān)進行互聯(lián)，形成高性能的車載網(wǎng)絡系統(tǒng)。車載網(wǎng)關(guān)作為整車網(wǎng)絡信息交互的中心，對整體網(wǎng)絡性能有著重要影響，是車載網(wǎng)絡技術(shù)研究的重要內(nèi)容。上電初始化時，如圖1所示為網(wǎng)關(guān)控制器內(nèi)部通信圖，通過PCIe接口接收SoC的設置命令，配置給路由表，使以太網(wǎng)交互信息直接經(jīng)路由傳遞，降低延時時間。在傳遞的數(shù)據(jù)中打上時間戳，對以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)進行時間對比測試以驗證時間延時。

圖1 網(wǎng)關(guān)控制器內(nèi)部通信

在控制器中設計外部電路進行總電流監(jiān)控，以監(jiān)控交換芯片的消耗電流，保證功率消耗在6 W以內(nèi)，并通過實時讀取的內(nèi)核溫度和控制器溫度進行對比，對芯片熱損耗和熱阻進行計算，為散熱處理做數(shù)據(jù)計算。傳統(tǒng)單核處理器受制于工藝，性能很難得到提升，難以滿足用戶對高性能處理器日益增長的需求。因此多核處理器的概念被提出并得到快速發(fā)展，但越來越小的芯片上集成了越來越多的核心，使得處理器的溫度過高并造成散熱困難。

如圖2所示的備用PHY切換圖，為實現(xiàn)交換模擬電路診斷故障處理，在晶圓內(nèi)設置切換開關(guān)，上電初始化過程中一旦發(fā)現(xiàn)物理層異常，數(shù)據(jù)校驗發(fā)現(xiàn)誤碼率超過10%，切換到外部物理層備用電路。根據(jù)統(tǒng)計置信度原理,只要驗證數(shù)字系統(tǒng)或器件的誤碼率指標是否優(yōu)于某一規(guī)定標準,即可在測量精度和測試時間之間進行折衷處理,而且仍能保證測試結(jié)果的可信度。

圖2 備用PHY切換

由于網(wǎng)關(guān)控制器是新興的高速運算控制器，尤其是網(wǎng)關(guān)交換芯片，計算能力遠超傳統(tǒng)芯片，使現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)控制器溫度性能較差，無法像傳統(tǒng)控制器一樣可以承受105℃以上的環(huán)境溫度，只能布置在駕駛室內(nèi)部。在網(wǎng)關(guān)控制器中，控制器溫度要控制在溫升10℃以內(nèi)，以保證控制器運行穩(wěn)定，各主要芯片，尤其是國產(chǎn)網(wǎng)關(guān)交換芯片，需要溫升在10℃以內(nèi)，以保證芯片運行穩(wěn)定性和壽命折損。

4 紅旗E-QM5網(wǎng)關(guān)控制器驗證方法

紅旗E-QM5的網(wǎng)關(guān)控制器主要負責傳遞IVI和T-box的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，IVI即車載電子信息產(chǎn)品，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的車載收音設備已經(jīng)發(fā)展成為集導航，娛樂于一體的信息娛樂系統(tǒng),并有著向功能多樣化，信息網(wǎng)絡化發(fā)展的趨勢。T-box即車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用來實現(xiàn)在網(wǎng)絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進行提取和有效利用,以及根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管和提供綜合服務。如圖3所示為網(wǎng)關(guān)控制器系統(tǒng)架構(gòu)圖，描述了以太網(wǎng)通信和CAN通信的網(wǎng)絡架構(gòu)，網(wǎng)關(guān)控制器將重要信息與動力CAN、舒適CAN和EV CAN等CAN網(wǎng)絡進行信息交換。

圖3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)紅旗E-QM5網(wǎng)關(guān)控制器平臺化需求定制國產(chǎn)網(wǎng)關(guān)交換芯片，設計具備汽車及能力的國產(chǎn)網(wǎng)關(guān)芯片。如圖4所示為交換芯片內(nèi)部資源圖，按照此資源進行設計仿真流片和測試。

圖4 交換芯片內(nèi)部資源

硬件方面選用單獨供電系統(tǒng)為國產(chǎn)交換芯片進行供電方便電流監(jiān)控和故障處理。如圖5所示，為適應國產(chǎn)交換芯片的系統(tǒng)供電及資源分配，所作系統(tǒng)框圖。

圖5 硬件系統(tǒng)

如圖6所示，軟件方面，按照軟件系統(tǒng)框圖使用SoC對網(wǎng)關(guān)控制器進行數(shù)據(jù)適配。

圖6 網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)

軟硬件集成后，對以太網(wǎng)通信功能進行逐層測試，包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。每一層有相應的測試內(nèi)容和測試用例，測試按照TC8測試標準進行。

紅旗E-QM5網(wǎng)關(guān)控制器對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行打流測試，在以太網(wǎng)滿負荷時監(jiān)控路由表運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)處理主要由路由交換部分完成，需要CPU參與處理的，由芯片內(nèi)核進行處理，經(jīng)測試以太網(wǎng)延時在100μs以內(nèi)。

為保證傳遞信息的準確性，控制器自動切換為備用電路，以保證數(shù)據(jù)傳輸誤碼率。芯片保有多個備用電路，需要傳輸速率降低時，可自動由PCIe 10 G傳輸總線切換到RGMII 1 Gbit/s傳輸總線。RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface),精簡GMII接口。相對于GMII相比，RGMII具有如下特征：發(fā)送/接收數(shù)據(jù)線由8條改為4條TX_ER和TX_EN復用，通過TX_CTL傳送RX_ER與RX_DV復用，通過RX_CTL傳送1 Gbit/s速率下，時鐘頻率為125 MHz,100 Mbit/s速率下，時鐘頻率為25 MHz，10 Mbit/s速率下，時鐘頻率為2.5 MHz。

針對國產(chǎn)交換芯片，因為設計參數(shù)和工藝水平的限制，散熱性能較差，需要通過溫度監(jiān)控和散熱處理解決溫升過高問題。溫升過高會導致熱阻系升高，熱量加劇升高，導致晶圓壽命下降，從而導致芯片壽命下降甚至功能失效，是以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生故障，給整車帶來不可估量的風險。通常芯片發(fā)熱是由于電流造成的，以電流產(chǎn)生功率，功率和熱阻產(chǎn)生溫升，溫升會導致芯片內(nèi)部電阻升高，又導致功率升高。在晶圓內(nèi)部有溫度監(jiān)控的IP核實時監(jiān)控溫度，以保證在溫度升高時及時散熱處理。

第一種是被動散熱方法，通過上下殼體增加散熱筋以增加散熱面積，將芯片的熱傳導到殼體。第二種是主動散熱方法，如圖7網(wǎng)關(guān)芯片主動散熱圖所示，將網(wǎng)關(guān)控制器布置到空調(diào)附近，并加載開關(guān)閥以確定開關(guān)閥開關(guān)角度來降低溫度。在紅旗E-QM5整車布置中，網(wǎng)關(guān)控制器布置在空調(diào)附近，可以在環(huán)境溫度大于30℃時將制冷風導入到控制器外殼進行冷卻，以提升芯片壽命。

圖7 網(wǎng)關(guān)芯片主動散熱

大數(shù)據(jù)交換穩(wěn)定性，主要取決因芯片發(fā)熱導致的壽命衰減在可控范圍內(nèi)。按照AEC_Q100 Grade2要求，需要控制器在85℃環(huán)境溫度下滿足800 000 km的整車運行要求，以平均車速40 km/h為計算標準，需要芯片20 000 h運行狀態(tài)，由于芯片自身發(fā)熱會導致壽命減少，根據(jù)計算，芯片內(nèi)核溫度一旦高于環(huán)境溫度20℃，壽命不在20 000 h以上，芯片會早于整車達到壽命極限。

5 網(wǎng)關(guān)控制器交換能力分析

經(jīng)HIL測試數(shù)據(jù)延時能力，網(wǎng)關(guān)控制器控制在100μs以內(nèi)，可達到7 Gbit/s交換能力。車載網(wǎng)關(guān)控制器是汽車網(wǎng)絡架構(gòu)中重要的ECU控制單元,負責不同網(wǎng)絡之間報文與信號的轉(zhuǎn)換與路由處理.因此,網(wǎng)關(guān)控制器的可靠性要求是非常高的，HIL測試是對網(wǎng)關(guān)控制器測試驗證進行了自動化測試,對網(wǎng)關(guān)控制器研發(fā)過程中的測試驗證提供了極其重要的參考價值。HIL測試方案如圖8所示為通信系統(tǒng)7層HIL測試方案圖，對以太網(wǎng)通信系統(tǒng)進行軟硬件測試。

圖8 通信系統(tǒng)7層HIL測試方案

測試結(jié)果如圖9所示為以太網(wǎng)信號頻譜分析圖。

圖9 以太網(wǎng)信號頻譜分析

通過對芯片消耗電流和晶圓溫度進行監(jiān)控，芯片熱阻與環(huán)境溫度呈線性升高趨勢；

芯片內(nèi)晶圓的溫度傳感器讀取的溫度與計算結(jié)果誤差在1℃內(nèi)。

晶圓中備用電路經(jīng)實測可以保證傳輸數(shù)據(jù)丟包率在2%左右。

經(jīng)計算和實際測試結(jié)果，汽車壽命周期內(nèi)遠小于控制器和芯片壽命。

6 結(jié)束語

網(wǎng)關(guān)控制器是汽車上重要的通信類控制器，為保證控制器的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸有效性，本文介紹了基于國產(chǎn)交換芯片的網(wǎng)關(guān)控制器研究方法和指標，從溫度、電流、散熱和壽命等因素進行指標分解，并依托紅旗E-QM5車型實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)交換芯片國產(chǎn)化及方案實現(xiàn)，并從國產(chǎn)交換芯片的設計和驗證中總結(jié)經(jīng)驗方法。本文提出的驗證方法從開發(fā)方法、分析過程、失效判斷3個維度驗證了網(wǎng)關(guān)交換功能分析的準確性，切實推動了網(wǎng)關(guān)控制器設計方法的真正落地。