以紅旗E-QM5為例，談基于國產交換芯片的網關控制器開發

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1 前言vcjednc

隨著汽車上控制器的數據量逐漸增多，控制器之間的數據交互量呈指數增加，原來500 kbit/s傳輸速度的CAN數據通信速率提高到百兆級的車載以太網通信和千兆以太網通信，對數據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據交互的同時又能保證傳輸速度，成為汽車行業研究的重點。2017年以來，汽車行業內對網關控制器的需求，呈現爆發式的發展，網關控制器主要作用是實現網絡數據轉發功能.非易失性存儲器中的通道配置參數和數據轉發路由表可動態更新,實現不同控制器的數據轉發功能,進而實現網關控制器的平臺化設計。在網關控制器開發過程中，為了考核網關控制器的性能和參數，滿足車載以太網的應用，完成網關控制器和交換芯片的國產化，需要建立網關控制器開發性能參數指標和方法標準。

2 網關控制器評估依據

依據車載以太網開發標準，評估網關控制器的數據延時，散熱處理，模擬電路診斷故障處理，大數據交換穩定性4個方面。數據延時要求小于500μs,以保證整車數據傳輸的實時性，網關控制器包含CAN總線和以太網總線2類。CAN總線是車載網絡系統使用最為廣泛的總線技術,網關使用車載以太網通信技術保證了在數據傳輸過程中的穩定性以及傳輸速率。散熱要求芯片表面溫度與環境溫度差別的10℃，內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據故障做備用交換電路切換功能，大數據交換穩定性具備在汽車壽命周期內芯片及控制器正常運行。利用交換芯片內部的CPU來實時對4個評估指標進行監控，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據分路傳輸以實現高速傳輸,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展潛力。按照網關控制器開發要求實現以下6大目標：vcjednc

（1）評估數據延時及交換能力；vcjednc

（2）基于國產交換芯片，對交換延時進行實時監控；vcjednc

（3）對芯片消耗電流進行監控，并根據熱阻進行熱仿真模型搭建；vcjednc

（4）利用芯片內晶圓的溫度傳感器進行溫度讀取處理；vcjednc

（5）在晶圓中做物理層失效的備用電路進行切換；vcjednc

（6）汽車壽命周期內計算控制器和芯片壽命，建立等效計算模型。vcjednc

網關控制器主要作用是在汽車生命周期內提供有效的網絡信息傳輸功能，并要求控制器內所有芯片至少滿足AEC-Q100 Grade2標準。vcjednc

3 開發方法及關鍵因素

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

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圖1 網關控制器內部通信vcjednc

在控制器中設計外部電路進行總電流監控，以監控交換芯片的消耗電流，保證功率消耗在6 W以內，并通過實時讀取的內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，為散熱處理做數據計算。傳統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。vcjednc

如圖2所示的備用PHY切換圖，為實現交換模擬電路診斷故障處理，在晶圓內設置切換開關，上電初始化過程中一旦發現物理層異常，數據校驗發現誤碼率超過10%，切換到外部物理層備用電路。根據統計置信度原理,只要驗證數字系統或器件的誤碼率指標是否優于某一規定標準,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果的可信度。vcjednc

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圖2 備用PHY切換vcjednc

由于網關控制器是新興的高速運算控制器，尤其是網關交換芯片，計算能力遠超傳統芯片，使現有的網關控制器溫度性能較差，無法像傳統控制器一樣可以承受105℃以上的環境溫度，只能布置在駕駛室內部。在網關控制器中，控制器溫度要控制在溫升10℃以內，以保證控制器運行穩定，各主要芯片，尤其是國產網關交換芯片，需要溫升在10℃以內，以保證芯片運行穩定性和壽命折損。vcjednc

4 紅旗E-QM5網關控制器驗證方法

紅旗E-QM5的網關控制器主要負責傳遞IVI和T-box的以太網數據，IVI即車載電子信息產品，隨著電子信息技術的快速發展,傳統的車載收音設備已經發展成為集導航，娛樂于一體的信息娛樂系統,并有著向功能多樣化，信息網絡化發展的趨勢。T-box即車聯網系統，用來實現在網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態信息進行提取和有效利用,以及根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管和提供綜合服務。如圖3所示為網關控制器系統架構圖，描述了以太網通信和CAN通信的網絡架構，網關控制器將重要信息與動力CAN、舒適CAN和EV CAN等CAN網絡進行信息交換。vcjednc

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圖3 網關系統架構vcjednc

根據紅旗E-QM5網關控制器平臺化需求定制國產網關交換芯片，設計具備汽車及能力的國產網關芯片。如圖4所示為交換芯片內部資源圖，按照此資源進行設計仿真流片和測試。vcjednc

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圖4 交換芯片內部資源vcjednc

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

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圖5 硬件系統vcjednc

如圖6所示，軟件方面，按照軟件系統框圖使用SoC對網關控制器進行數據適配。vcjednc

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圖6 網關軟件系統vcjednc

軟硬件集成后，對以太網通信功能進行逐層測試，包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。每一層有相應的測試內容和測試用例，測試按照TC8測試標準進行。vcjednc

紅旗E-QM5網關控制器對以太網數據進行打流測試，在以太網滿負荷時監控路由表運行狀態，數據處理主要由路由交換部分完成，需要CPU參與處理的，由芯片內核進行處理，經測試以太網延時在100μs以內。vcjednc

為保證傳遞信息的準確性，控制器自動切換為備用電路，以保證數據傳輸誤碼率。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：發送/接收數據線由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。vcjednc

針對國產交換芯片，因為設計參數和工藝水平的限制，散熱性能較差，需要通過溫度監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，是以太網傳輸的數據發生故障，給整車帶來不可估量的風險。通常芯片發熱是由于電流造成的，以電流產生功率，功率和熱阻產生溫升，溫升會導致芯片內部電阻升高，又導致功率升高。在晶圓內部有溫度監控的IP核實時監控溫度，以保證在溫度升高時及時散熱處理。vcjednc

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網關芯片主動散熱圖所示，將網關控制器布置到空調附近，并加載開關閥以確定開關閥開關角度來降低溫度。在紅旗E-QM5整車布置中，網關控制器布置在空調附近，可以在環境溫度大于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。vcjednc

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圖7 網關芯片主動散熱vcjednc

大數據交換穩定性，主要取決因芯片發熱導致的壽命衰減在可控范圍內。按照AEC_Q100 Grade2要求，需要控制器在85℃環境溫度下滿足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，由于芯片自身發熱會導致壽命減少，根據計算，芯片內核溫度一旦高于環境溫度20℃，壽命不在20 000 h以上，芯片會早于整車達到壽命極限。vcjednc

5 網關控制器交換能力分析

經HIL測試數據延時能力，網關控制器控制在100μs以內，可達到7 Gbit/s交換能力。車載網關控制器是汽車網絡架構中重要的ECU控制單元,負責不同網絡之間報文與信號的轉換與路由處理.因此,網關控制器的可靠性要求是非常高的，HIL測試是對網關控制器測試驗證進行了自動化測試,對網關控制器研發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7層HIL測試方案圖，對以太網通信系統進行軟硬件測試。vcjednc

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圖8 通信系統7層HIL測試方案vcjednc

測試結果如圖9所示為以太網信號頻譜分析圖。vcjednc

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圖9 以太網信號頻譜分析vcjednc

通過對芯片消耗電流和晶圓溫度進行監控，芯片熱阻與環境溫度呈線性升高趨勢；vcjednc

芯片內晶圓的溫度傳感器讀取的溫度與計算結果誤差在1℃內。vcjednc

晶圓中備用電路經實測可以保證傳輸數據丟包率在2%左右。vcjednc

經計算和實際測試結果，汽車壽命周期內遠小于控制器和芯片壽命。vcjednc

6 結束語

網關控制器是汽車上重要的通信類控制器，為保證控制器的穩定性和數據傳輸有效性，本文介紹了基于國產交換芯片的網關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車型實現網關交換芯片國產化及方案實現，并從國產交換芯片的設計和驗證中總結經驗方法。本文提出的驗證方法從開發方法、分析過程、失效判斷3個維度驗證了網關交換功能分析的準確性，切實推動了網關控制器設計方法的真正落地。vcjednc