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车载以太网如何测试?听听AEM怎么说

零帕网 4周前 ( 01-29 18:20 ) 76 抢沙发

在汽车智能化和网联化等应用中,数据处理要求更快的吞吐量、更低的时延、更高的可靠性及更高的服务质量(QoS),以保证汽车的安全可靠运行。随着速度达到10 Gbps,车载以太网将在承载高速数据通信方面发挥越来越大的作用,包括:IEEE 802.3cg 10BASE-T1, 10 Mbps;IEEE 802.3bw 100BASE-T1, 100 Mbps;IEEE 802.3bp 1000BASE-T1, 1 Gbps;以及IEEE 802.3ch 10GBASE-T1,2.5/5/10 Gbps。

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来源:AEM

车载以太网将与涵盖各种系统和子系统的多种总线(如CAN、LIN、MOST等)共存。因此,我们需要不同的测试方法,来完成汽车和车载网络的设计、验证、调试、排障、维护和保养。车载以太网如何测试?AEM公司首席技术顾问任长宁先生在“2019汽车新四化与汽车电子峰会”上发表了《兼顾生产/安装/实验室,车载以太网传输介质测试解决方案》的演讲,介绍了AEM的车载以太网测试解决方案。

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任长宁: 很荣幸能参加这次会议,我本人是新加坡AEM公司的技术顾问,会议目录上写的是苏州永科电子设备有限公司,是新加坡AEM在华全资子公司。今天我汇报的内容是和汽车车载以太网相关,我们之前涉及的领域是半导体芯片和通信,今后将迈入汽车这个宽广的殿堂。

汽车和通信领域之前基本上是两个互不相干,彼此独立发展的技术领域。汽车发展到现在,强调“四化”:智能化、电动化、网联化、共享化。由于汽车智能化和网联化的发展,使汽车和通信产生了交集,尤其是中国发展最好的5G技术给两者融合发展提供了非常大的推动力。

我们一直在讲,再好的车,如果没有高速公路,它的性能是发挥不出来的。在汽车领域,今天很多主题都涉及到智能驾驶、自动化和人工智能在汽车领域的使用,包括智能芯片、应用层面和软件层面的技术。这些技术如果没有一个车内基础设施的承载,就很难发挥其应有的功能和作用。这个基础设施在汽车内部就体现在传输介质层面,它对于我们车内的ECU也好、车载电脑也好、传感器也好,就是它们之间互相联络的信息高速公路。

我今天所讲的内容和汽车内部的传输介质相关,这个题目叫“兼顾生产/安装/实验室车载以太网传输介质测试解决方案”。涉及的内容有:车载以太网的标准,涉及到SPE和OPEN,包括OPEN标准;另外涉及到传输介质测试指标,以及测试方法;最后讲一下AEM公司为车载以太网提供的测试解决方案。

关于车载以太网的介质标准,大家可能很熟悉的是OPEN联盟的测试标准文档,实际上“OPEN”这个词是一线对以太网(One-Pair Ether-Net)的缩写,与之相对应的还有一个SPE的缩写(Single Pair Ethernet单线对以太网),就是把“一”改成了“单”。OPEN联盟更侧重于车用,而SPE更侧重于通信领域的应用。OPEN联盟制定的标准也被IEEE采纳。AEM公司也是OPEN联盟的成员之一。

为什么要制定OPEN或SPE标准?主要是出于三个原因:第一,专门针对单线对以太网技术,这个和我们了解到的目前计算机使用的四线对以太网技术有一些差异,今天我们不展开技术层面的内容。

第二,核心内容是验证通信信号的完整性和电磁兼容性,这是重要的研究方向。目的是确保安全与可靠的通信。这个通信,一方面是在车体内部,另一方面是网联车和车联网,汽车成为一个信息节点,它要和外网进行联系和联络,也涉及到介质的传输。

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这张图来源于互联网,我借用了这张图,它显示了目前传统的汽车内部传输介质的应用,都有被车载以太网技术所取代的趋势。这里面包括车身与舒适系统(包括座椅的加热、温度的调节等),底盘安全系统,信息娱乐系统,动力和传动系统,高级驾驶辅助系统等。这些所有的信息或者信号系统之间的互联互通,目前所采用的总线都有改变为以太网的趋势。

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传统的汽车总线用的非常好,为什么会被以太网技术所取代呢?我个人认为有两大驱动力,第一是成本。大家可以看到,采用以太网技术的线束或者是车内布线,它的复杂度会降低,线束的数量会减少,所节约下来的无论是硬件成本还是人工成本,都是非常显著的。数量减少以后,线束的总重量也会降低。这里有两个量化数据,一个是硬件成本降80%、一个是重量减30%,两个数据分别来自于两个技术报告,也是来自于互联网。第二个驱动力是技术层面,车载以太网技术能够提供更高的传输速率。

以太网技术这么好,怎么保证它的质量呢?我们需要有量化的数据来评判以太网线束的传输质量,这就涉及到了测试。下图是目前国际上涉及到车载以太网的相关技术标准,准确讲还不是汽车以太网,而是单线对以太网传输介质的标准。第一项描述的是用单个线对传输10比特每秒的数据,传输距离是1000米,这样的传输应用在通信场合,目前是草案阶段,很快会成为正式标准公布。第二和第三部分分别是OPEN联盟和IEEE同时采用的,OPENTC2工作组研究的是百兆比特每秒传输速率的单线对车载内的介质应用,OPENTC9工作组是专门研究千兆以太网的传输速率的传输介质,这两项目前已成为以太网传输介质主流的发展方向,未来更高速率的传输技术也在研究中。

无论国内或者国外,目前正在采用的,以及即将要进入批量使用的是百兆或者千兆,而千兆是市场发展方向。涉及到的测试参数,第一,因为这里采用的是单线对的传输介质,所以它的测试参数比我们采用四线对的要少。第二,支持千兆比特每秒的物理带宽,频率到600赫兹。目前国际上最高铜缆介质的传输带宽已经到2G赫兹。因此,从它的频率来讲,并不是非常高,也就是说测试难度并不是很大。如果从通信行业来比对,属于中下端的技术水平,但对于汽车行业来说已经足够了,甚至说有点超前,所以,它的测试难度并不大。

首先,用什么设备来测试呢?对于车载以太网而言,它的技术于通信行业来说是相当成熟的技术。因此,目前市场上有大量的实验室设备能对它进行测试,主要就是我们称之为矢量网络分析仪的实验室设备。对于测试仪器,最基本的要求是,端口数量至少为4个端口,形成两个信道。单个线对有两个导体,有四个端头,这四个端头要连到信息设备上,因此我们的测试设备至少要有四个可以接这四个端口,形成两个信道。OPEN标准有详细的表格,里面列了对测试设备的基本要求,对于我们实际使用的实验室测试设备而言,是非常容易达到的一些指标。

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其次,在哪里完成测试?测试的场所当然是在实验室。但是,实验室用台式高精度的设备来测试有一些不足。我们面对的是规模性的大批量生产,因为汽车厂所生产的汽车数量是以万为单位的,面对这样一个庞大的数量,我们采用抽测还是全测的方式呢?需要考虑成本的问题,当然采用设备的数量增加以后,设备的硬件成本也要考虑在内。即便我们这样做了,我们把所有的线束拿到实验室,能不能代替产线的测试?因为线束的状态是不一样的。比如说下图这个,奥迪A8的整体线束,它的线束规模和体积是很大的,这样的庞大线束整体搬到实验室是不是可操作?

实际生产过程中大多数是采用线束实验台,这个实验台上的线束状态,和拿到实验室后线束的状态是不一样的。低速信号总线对线束的弯折、回转、受外界因素的影响不敏感,以太网的传输速率很高,对这些都是敏感的。

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从目前的技术水平来讲,线束在整车内的布放仍然依靠全手工完成,发动机、车体、其他的焊接都可以用机器人来完成。布线这个工序是由操作人员手工完成的,由人来完成的事情就有可能出现错误,或者出现影响,而这个影响是在实验室无法模拟出来的。

随着车辆的长期使用,以太网线束,可能会受到外部因素的影响,它的性能指标可能会发生变化,或者出现故障。我们怎么在售后的情况下进行快速测试?这对实验室环境下的专用仪器的测试手段提出了一些挑战。我列了该逻辑关系图,生产现场、安装现场、维修现场,如果在这些测试合格的情况下,可以推断这些线束拿到实验室条件下测试肯定是合格的,但反向就不一定了,很多因素会影响线束的运行状态。如果现场测试不合格,将线束拿回到实验室,肯定也是不合格的。反之,如果实验室测试的是一个不合格的线束,安装到现场以后,也不可能通过人为的外部干预让它变得合格。所以,实验室测试是一种必要但不充分的测试。

针对以上情况,AEM公司提出了解决方案,该解决方案主要针对的是,第一、线束生产现场的品控测试;第二、整机线束装配以及维修的现场测试;第三,可以兼顾实验室条件下的测试。给大家看一下我们方案的测试精度。

这是我们解决方案的核心部件-电路板,大概和半张A4纸的长宽比例差不多,右边的是已经封装到外壳里面。一块电路板的通道数是8个端口、4个通道。为了检测单线对以太网,测试设备至少要达到四个端口双通道,我们做到了四通道。关于测试的频率带宽,刚才说支持百兆以太网传输速率的车载介质,它的带宽是到100兆赫兹,支持千兆以太网的介质传输速率的带宽是600兆赫兹。我们的电路板或者称其为核心部件,支持3000兆赫兹的带宽,远远高于我们需要的测试极限。一般来说,测试设备的测试精度应该是在满量程的2/3以内,测试精度最好,从这个角度来讲,它也完全满足这个要求。要是从大批量应用的情况考虑,肯定要考虑价格,而它的价格绝对是比实验室设备低,价格至少是成倍的下降。

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下面我们看一下实际应用情况,下图左边三张照片实际来自于美国通用机器公司,他们的汽车生产线的线束加工实验平台,这是某个车型上使用的线束,这个线束并不是全都采用了以太网的技术,其中若干线对是采用了以太网的传输介质,在平台的下面安装的两个绿色的电路板就是我们的核心部件。当然,驱动核心部件需要一套配套程序,配套程序是旁边一台计算机。屏幕上会实时显示出这条以太网线速的传输质量。下面这个屏幕展示的就是100兆赫兹的情况下,它采用的标准是TC2的,就是100兆/秒的传输测试标准。展示了100兆赫兹和600兆赫兹的测试结果,他们希望评判的是600兆赫兹的状态,这在软件上都是可以控制的,评判标准和实测标准的对比都可以由软件来控制。

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总之,这是一种在目前美国通用机器实际使用的,在墨西哥的线束工厂,以及在上海的OEM线束工厂都采用了这种方案,针对单对线以太网线束进行生产阶段的品控测试。

第二种是整车的线束安装,是在某一个工序的结尾,需要对某些线束状态进行掌握,可以用这种方式。我们把核心部件装在了一个手持仪表的外壳,仪表本身带有触摸屏幕,手持仪表大小几乎和笔记本电脑的一半大,可以随时携带到汽车狭小空间里。这里面重要的问题是,必须采用以太网的特殊接口。

大家知道,汽车行业的连接器类型很多,哪怕是同一个品牌不同车型,里面连接器的样式或类型都不一样。因此,我们提供的解决方案是,根据用户以太网线速的端口类型,提供相应定制化的端口适配器。仪表设备的接口,主机是相同的,更换不同接口的适配器,可以对不同线束的接口进行测试。这是整机装车以后的线束测试方案。

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第三种就是实验室状态下的,在开发新车型或者是新的线束类型时,不可避免的先做一些实验室的实验,或者是探索性的设计。在OPEN联盟相关标准也提到了这个测试方法,测试线对之间串扰。我们一直在说单线对,实际上同一个线束内可能出现不仅一对传输介质,可能同时会出现两个或三个传输介质,类似于下图左上角屏幕的状态。线对彼此之间会有一些电磁辐射,或者是干扰的出现。为此,相关的标准会提供测试方法。但是需要注意,在OPEN标准里面,它采用的是双通道网络分析仪。在测试过程中,要人为地转换端口。实际上我们在做实验的时候,这块电路板提供了四个通道,同时可以接两对单线对的线束,这样就避免了人为的转接端口,所有的控制都来自于计算机软件控制,自动收发的信号,避免了端口人为的干扰,这就是我们提供的实验室状态下的测试。

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无论是测试方法或者测试设备,得到的数据是不是可信呢?我们和新加坡计量院有密切的合作关系,我们把所有的这些测试方案都在新加坡计量院做了一个比对。大家可以看到,下图上这一台大设备就是新加坡计量院的实验室网分,旁边的就是我刚才给大家展示的,实验室状态下我们的核心部件连接到线束以后的状态。中间这台电脑驱动核心部件,完成测试。

我们得到了一些比对的数据,大家可以看到,下面有两条曲线,黑色和红色,黑色的是实验室网络分析仪获得的数据结果。红线是AEM核心部件获得的测试数据。横坐标是频率,纵坐标是dB值,可以看到这两条线基本上是重合的。这是回波损耗,绿色的都是实验室设备获得的结果,红色和黑色是我们部件得到的结果。这个图形看最上面的峰值,基本上可以看出它们的峰值大小、趋势,都是可以进行比对的,从工程角度几乎可以认为是相同的。下面是噪声,上面的峰值或者是极值,是我们作为评判的依据。

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再往下,这是横纵向转换损耗的测试数据。我们采用缩小化和工程化方案获得的测试结果,和实验室装备得到的测试结果是可以进行比对和互认的。

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最后总结一下:

第一,现场测试是确保车载以太网线束品质的充分必要条件;

第二,AEM公司提供的解决方案,它的性能能够满足单线对以太网线束的测试要求;

第三,我们提出的测试方案功能弥补了传统实验室测试的不足,主要弥补了现场测试的不足;

第四,定制化的测试适配器,能够满足现场的使用要求,在狭小空间便于携带;

第五,开放通信接口,有利于融入客户所使用的测试系统,我们只提供硬件,提供通信接口以后,如果客户有二次研发的能力,也可以自己编制控制系统;

最后能够得出这样一个结论,AEM的解决方案提升了单线对以太网传输介质的品控测试工效,降低了测试成本。

AEM公司是一家新加坡的上市公司,致力于半导体芯片的性能测试和通信领域。此外,我们和华为也有密切的合作,提供通信传输介质,包括铜缆和光纤的测试解决方案。

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