在汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化等應用中,數(shù)據(jù)處理要求更快的吞吐量、更低的時延、更高的可靠性及更高的服務質量(QoS),以保證汽車的安全可靠運行。隨著速度達到10 Gbps,車載以太網(wǎng)將在承載高速數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮越來越大的作用,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。
來源:AEM
車載以太網(wǎng)將與涵蓋各種系統(tǒng)和子系統(tǒng)的多種總線(如CAN、LIN、MOST等)共存。因此,我們需要不同的測試方法,來完成汽車和車載網(wǎng)絡的設計、驗證、調試、排障、維護和保養(yǎng)。車載以太網(wǎng)如何測試?AEM公司首席技術顧問任長寧先生在“2019汽車新四化與汽車電子峰會”上發(fā)表了《兼顧生產/安裝/實驗室,車載以太網(wǎng)傳輸介質測試解決方案》的演講,介紹了AEM的車載以太網(wǎng)測試解決方案。
汽車和通信領域之前基本上是兩個互不相干,彼此獨立發(fā)展的技術領域。汽車發(fā)展到現(xiàn)在,強調“四化”:智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化。由于汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,使汽車和通信產生了交集,尤其是中國發(fā)展最好的5G技術給兩者融合發(fā)展提供了非常大的推動力。
我們一直在講,再好的車,如果沒有高速公路,它的性能是發(fā)揮不出來的。在汽車領域,今天很多主題都涉及到智能駕駛、自動化和人工智能在汽車領域的使用,包括智能芯片、應用層面和軟件層面的技術。這些技術如果沒有一個車內基礎設施的承載,就很難發(fā)揮其應有的功能和作用。這個基礎設施在汽車內部就體現(xiàn)在傳輸介質層面,它對于我們車內的ECU也好、車載電腦也好、傳感器也好,就是它們之間互相聯(lián)絡的信息高速公路。
我今天所講的內容和汽車內部的傳輸介質相關,這個題目叫“兼顧生產/安裝/實驗室車載以太網(wǎng)傳輸介質測試解決方案”。涉及的內容有:車載以太網(wǎng)的標準,涉及到SPE和OPEN,包括OPEN標準;另外涉及到傳輸介質測試指標,以及測試方法;最后講一下AEM公司為車載以太網(wǎng)提供的測試解決方案。
關于車載以太網(wǎng)的介質標準,大家可能很熟悉的是OPEN聯(lián)盟的測試標準文檔,實際上“OPEN”這個詞是一線對以太網(wǎng)(One-Pair Ether-Net)的縮寫,與之相對應的還有一個SPE的縮寫(Single Pair Ethernet單線對以太網(wǎng)),就是把“一”改成了“單”。OPEN聯(lián)盟更側重于車用,而SPE更側重于通信領域的應用。OPEN聯(lián)盟制定的標準也被IEEE采納。AEM公司也是OPEN聯(lián)盟的成員之一。
為什么要制定OPEN或SPE標準?主要是出于三個原因:第一,專門針對單線對以太網(wǎng)技術,這個和我們了解到的目前計算機使用的四線對以太網(wǎng)技術有一些差異,今天我們不展開技術層面的內容。
第二,核心內容是驗證通信信號的完整性和電磁兼容性,這是重要的研究方向。目的是確保安全與可靠的通信。這個通信,一方面是在車體內部,另一方面是網(wǎng)聯(lián)車和車聯(lián)網(wǎng),汽車成為一個信息節(jié)點,它要和外網(wǎng)進行聯(lián)系和聯(lián)絡,也涉及到介質的傳輸。
這張圖來源于互聯(lián)網(wǎng),我借用了這張圖,它顯示了目前傳統(tǒng)的汽車內部傳輸介質的應用,都有被車載以太網(wǎng)技術所取代的趨勢。這里面包括車身與舒適系統(tǒng)(包括座椅的加熱、溫度的調節(jié)等),底盤安全系統(tǒng),信息娛樂系統(tǒng),動力和傳動系統(tǒng),高級駕駛輔助系統(tǒng)等。這些所有的信息或者信號系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通,目前所采用的總線都有改變?yōu)橐蕴W(wǎng)的趨勢。
傳統(tǒng)的汽車總線用的非常好,為什么會被以太網(wǎng)技術所取代呢?我個人認為有兩大驅動力,第一是成本。大家可以看到,采用以太網(wǎng)技術的線束或者是車內布線,它的復雜度會降低,線束的數(shù)量會減少,所節(jié)約下來的無論是硬件成本還是人工成本,都是非常顯著的。數(shù)量減少以后,線束的總重量也會降低。這里有兩個量化數(shù)據(jù),一個是硬件成本降80%、一個是重量減30%,兩個數(shù)據(jù)分別來自于兩個技術報告,也是來自于互聯(lián)網(wǎng)。第二個驅動力是技術層面,車載以太網(wǎng)技術能夠提供更高的傳輸速率。
以太網(wǎng)技術這么好,怎么保證它的質量呢?我們需要有量化的數(shù)據(jù)來評判以太網(wǎng)線束的傳輸質量,這就涉及到了測試。下圖是目前國際上涉及到車載以太網(wǎng)的相關技術標準,準確講還不是汽車以太網(wǎng),而是單線對以太網(wǎng)傳輸介質的標準。第一項描述的是用單個線對傳輸10比特每秒的數(shù)據(jù),傳輸距離是1000米,這樣的傳輸應用在通信場合,目前是草案階段,很快會成為正式標準公布。第二和第三部分分別是OPEN聯(lián)盟和IEEE同時采用的,OPENTC2工作組研究的是百兆比特每秒傳輸速率的單線對車載內的介質應用,OPENTC9工作組是專門研究千兆以太網(wǎng)的傳輸速率的傳輸介質,這兩項目前已成為以太網(wǎng)傳輸介質主流的發(fā)展方向,未來更高速率的傳輸技術也在研究中。
無論國內或者國外,目前正在采用的,以及即將要進入批量使用的是百兆或者千兆,而千兆是市場發(fā)展方向。涉及到的測試參數(shù),第一,因為這里采用的是單線對的傳輸介質,所以它的測試參數(shù)比我們采用四線對的要少。第二,支持千兆比特每秒的物理帶寬,頻率到600赫茲。目前國際上最高銅纜介質的傳輸帶寬已經到2G赫茲。因此,從它的頻率來講,并不是非常高,也就是說測試難度并不是很大。如果從通信行業(yè)來比對,屬于中下端的技術水平,但對于汽車行業(yè)來說已經足夠了,甚至說有點超前,所以,它的測試難度并不大。
首先,用什么設備來測試呢?對于車載以太網(wǎng)而言,它的技術于通信行業(yè)來說是相當成熟的技術。因此,目前市場上有大量的實驗室設備能對它進行測試,主要就是我們稱之為矢量網(wǎng)絡分析儀的實驗室設備。對于測試儀器,最基本的要求是,端口數(shù)量至少為4個端口,形成兩個信道。單個線對有兩個導體,有四個端頭,這四個端頭要連到信息設備上,因此我們的測試設備至少要有四個可以接這四個端口,形成兩個信道。OPEN標準有詳細的表格,里面列了對測試設備的基本要求,對于我們實際使用的實驗室測試設備而言,是非常容易達到的一些指標。
其次,在哪里完成測試?測試的場所當然是在實驗室。但是,實驗室用臺式高精度的設備來測試有一些不足。我們面對的是規(guī)模性的大批量生產,因為汽車廠所生產的汽車數(shù)量是以萬為單位的,面對這樣一個龐大的數(shù)量,我們采用抽測還是全測的方式呢?需要考慮成本的問題,當然采用設備的數(shù)量增加以后,設備的硬件成本也要考慮在內。即便我們這樣做了,我們把所有的線束拿到實驗室,能不能代替產線的測試?因為線束的狀態(tài)是不一樣的。比如說下圖這個,奧迪A8的整體線束,它的線束規(guī)模和體積是很大的,這樣的龐大線束整體搬到實驗室是不是可操作?
實際生產過程中大多數(shù)是采用線束實驗臺,這個實驗臺上的線束狀態(tài),和拿到實驗室后線束的狀態(tài)是不一樣的。低速信號總線對線束的彎折、回轉、受外界因素的影響不敏感,以太網(wǎng)的傳輸速率很高,對這些都是敏感的。
從目前的技術水平來講,線束在整車內的布放仍然依靠全手工完成,發(fā)動機、車體、其他的焊接都可以用機器人來完成。布線這個工序是由操作人員手工完成的,由人來完成的事情就有可能出現(xiàn)錯誤,或者出現(xiàn)影響,而這個影響是在實驗室無法模擬出來的。
隨著車輛的長期使用,以太網(wǎng)線束,可能會受到外部因素的影響,它的性能指標可能會發(fā)生變化,或者出現(xiàn)故障。我們怎么在售后的情況下進行快速測試?這對實驗室環(huán)境下的專用儀器的測試手段提出了一些挑戰(zhàn)。我列了該邏輯關系圖,生產現(xiàn)場、安裝現(xiàn)場、維修現(xiàn)場,如果在這些測試合格的情況下,可以推斷這些線束拿到實驗室條件下測試肯定是合格的,但反向就不一定了,很多因素會影響線束的運行狀態(tài)。如果現(xiàn)場測試不合格,將線束拿回到實驗室,肯定也是不合格的。反之,如果實驗室測試的是一個不合格的線束,安裝到現(xiàn)場以后,也不可能通過人為的外部干預讓它變得合格。所以,實驗室測試是一種必要但不充分的測試。
針對以上情況,AEM公司提出了解決方案,該解決方案主要針對的是,第一、線束生產現(xiàn)場的品控測試;第二、整機線束裝配以及維修的現(xiàn)場測試;第三,可以兼顧實驗室條件下的測試。給大家看一下我們方案的測試精度。
這是我們解決方案的核心部件-電路板,大概和半張A4紙的長寬比例差不多,右邊的是已經封裝到外殼里面。一塊電路板的通道數(shù)是8個端口、4個通道。為了檢測單線對以太網(wǎng),測試設備至少要達到四個端口雙通道,我們做到了四通道。關于測試的頻率帶寬,剛才說支持百兆以太網(wǎng)傳輸速率的車載介質,它的帶寬是到100兆赫茲,支持千兆以太網(wǎng)的介質傳輸速率的帶寬是600兆赫茲。我們的電路板或者稱其為核心部件,支持3000兆赫茲的帶寬,遠遠高于我們需要的測試極限。一般來說,測試設備的測試精度應該是在滿量程的2/3以內,測試精度最好,從這個角度來講,它也完全滿足這個要求。要是從大批量應用的情況考慮,肯定要考慮價格,而它的價格絕對是比實驗室設備低,價格至少是成倍的下降。
下面我們看一下實際應用情況,下圖左邊三張照片實際來自于美國通用機器公司,他們的汽車生產線的線束加工實驗平臺,這是某個車型上使用的線束,這個線束并不是全都采用了以太網(wǎng)的技術,其中若干線對是采用了以太網(wǎng)的傳輸介質,在平臺的下面安裝的兩個綠色的電路板就是我們的核心部件。當然,驅動核心部件需要一套配套程序,配套程序是旁邊一臺計算機。屏幕上會實時顯示出這條以太網(wǎng)線速的傳輸質量。下面這個屏幕展示的就是100兆赫茲的情況下,它采用的標準是TC2的,就是100兆/秒的傳輸測試標準。展示了100兆赫茲和600兆赫茲的測試結果,他們希望評判的是600兆赫茲的狀態(tài),這在軟件上都是可以控制的,評判標準和實測標準的對比都可以由軟件來控制。
總之,這是一種在目前美國通用機器實際使用的,在墨西哥的線束工廠,以及在上海的OEM線束工廠都采用了這種方案,針對單對線以太網(wǎng)線束進行生產階段的品控測試。
第二種是整車的線束安裝,是在某一個工序的結尾,需要對某些線束狀態(tài)進行掌握,可以用這種方式。我們把核心部件裝在了一個手持儀表的外殼,儀表本身帶有觸摸屏幕,手持儀表大小幾乎和筆記本電腦的一半大,可以隨時攜帶到汽車狹小空間里。這里面重要的問題是,必須采用以太網(wǎng)的特殊接口。
大家知道,汽車行業(yè)的連接器類型很多,哪怕是同一個品牌不同車型,里面連接器的樣式或類型都不一樣。因此,我們提供的解決方案是,根據(jù)用戶以太網(wǎng)線速的端口類型,提供相應定制化的端口適配器。儀表設備的接口,主機是相同的,更換不同接口的適配器,可以對不同線束的接口進行測試。這是整機裝車以后的線束測試方案。
第三種就是實驗室狀態(tài)下的,在開發(fā)新車型或者是新的線束類型時,不可避免的先做一些實驗室的實驗,或者是探索性的設計。在OPEN聯(lián)盟相關標準也提到了這個測試方法,測試線對之間串擾。我們一直在說單線對,實際上同一個線束內可能出現(xiàn)不僅一對傳輸介質,可能同時會出現(xiàn)兩個或三個傳輸介質,類似于下圖左上角屏幕的狀態(tài)。線對彼此之間會有一些電磁輻射,或者是干擾的出現(xiàn)。為此,相關的標準會提供測試方法。但是需要注意,在OPEN標準里面,它采用的是雙通道網(wǎng)絡分析儀。在測試過程中,要人為地轉換端口。實際上我們在做實驗的時候,這塊電路板提供了四個通道,同時可以接兩對單線對的線束,這樣就避免了人為的轉接端口,所有的控制都來自于計算機軟件控制,自動收發(fā)的信號,避免了端口人為的干擾,這就是我們提供的實驗室狀態(tài)下的測試。
無論是測試方法或者測試設備,得到的數(shù)據(jù)是不是可信呢?我們和新加坡計量院有密切的合作關系,我們把所有的這些測試方案都在新加坡計量院做了一個比對。大家可以看到,下圖上這一臺大設備就是新加坡計量院的實驗室網(wǎng)分,旁邊的就是我剛才給大家展示的,實驗室狀態(tài)下我們的核心部件連接到線束以后的狀態(tài)。中間這臺電腦驅動核心部件,完成測試。
我們得到了一些比對的數(shù)據(jù),大家可以看到,下面有兩條曲線,黑色和紅色,黑色的是實驗室網(wǎng)絡分析儀獲得的數(shù)據(jù)結果。紅線是AEM核心部件獲得的測試數(shù)據(jù)。橫坐標是頻率,縱坐標是dB值,可以看到這兩條線基本上是重合的。這是回波損耗,綠色的都是實驗室設備獲得的結果,紅色和黑色是我們部件得到的結果。這個圖形看最上面的峰值,基本上可以看出它們的峰值大小、趨勢,都是可以進行比對的,從工程角度幾乎可以認為是相同的。下面是噪聲,上面的峰值或者是極值,是我們作為評判的依據(jù)。
再往下,這是橫縱向轉換損耗的測試數(shù)據(jù)。我們采用縮小化和工程化方案獲得的測試結果,和實驗室裝備得到的測試結果是可以進行比對和互認的。
最后總結一下:
第一,現(xiàn)場測試是確保車載以太網(wǎng)線束品質的充分必要條件;
第二,AEM公司提供的解決方案,它的性能能夠滿足單線對以太網(wǎng)線束的測試要求;
第三,我們提出的測試方案功能彌補了傳統(tǒng)實驗室測試的不足,主要彌補了現(xiàn)場測試的不足;
第四,定制化的測試適配器,能夠滿足現(xiàn)場的使用要求,在狹小空間便于攜帶;
第五,開放通信接口,有利于融入客戶所使用的測試系統(tǒng),我們只提供硬件,提供通信接口以后,如果客戶有二次研發(fā)的能力,也可以自己編制控制系統(tǒng);
最后能夠得出這樣一個結論,AEM的解決方案提升了單線對以太網(wǎng)傳輸介質的品控測試工效,降低了測試成本。