車載以太網(wǎng)如何測試？ 聽聽AEM怎么說
在汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化等應(yīng)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(wù)質(zhì)量（QoS），以保證汽車的安全可靠運(yùn)行。隨著速度達(dá)到10 Gbps
在汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化等應(yīng)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(wù)質(zhì)量（QoS），以保證汽車的安全可靠運(yùn)行。隨著速度達(dá)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(luò)的設(shè)計、驗(yàn)證、調(diào)試、排障、維護(hù)和保養(yǎng)。車載以太網(wǎng)如何測試？AEM公司首席技術(shù)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(chǎn)/安裝/實(shí)驗(yàn)室，車載以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)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。
任長寧：很榮幸能參加這次會議，我本人是新加坡AEM公司的技術(shù)顧問，會議目錄上寫的是蘇州永科電子設(shè)備有限公司，是新加坡AEM在華全資子公司。今天我匯報的內(nèi)容是和汽車車載以太網(wǎng)相關(guān)，我們之前涉及的領(lǐng)域是半導(dǎo)體芯片和通信，今后將邁入汽車這個寬廣的殿堂。
汽車和通信領(lǐng)域之前基本上是兩個互不相干，彼此獨(dú)立發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。汽車發(fā)展到現(xiàn)在，強(qiáng)調(diào)“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(chǎn)生了交集，尤其是中國發(fā)展最好的5G技術(shù)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(lǐng)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(lǐng)域的使用，包括智能芯片、應(yīng)用層面和軟件層面的技術(shù)。這些技術(shù)如果沒有一個車內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的承載，就很難發(fā)揮其應(yīng)有的功能和作用。這個基礎(chǔ)設(shè)施在汽車內(nèi)部就體現(xiàn)在傳輸介質(zhì)層面，它對于我們車內(nèi)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(luò)的信息高速公路。
我今天所講的內(nèi)容和汽車內(nèi)部的傳輸介質(zhì)相關(guān)，這個題目叫“兼顧生產(chǎn)/安裝/實(shí)驗(yàn)室車載以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)測試解決方案”。涉及的內(nèi)容有：車載以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，涉及到SPE和OPEN，包括OPEN標(biāo)準(zhǔn)；另外涉及到傳輸介質(zhì)測試指標(biāo)，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(guān)于車載以太網(wǎng)的介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，大家可能很熟悉的是OPEN聯(lián)盟的測試標(biāo)準(zhǔn)文檔，實(shí)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(yīng)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(cè)重于車用，而SPE更側(cè)重于通信領(lǐng)域的應(yīng)用。OPEN聯(lián)盟制定的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)？主要是出于三個原因：第一，專門針對單線對以太網(wǎng)技術(shù)，這個和我們了解到的目前計算機(jī)使用的四線對以太網(wǎng)技術(shù)有一些差異，今天我們不展開技術(shù)層面的內(nèi)容。
第二，核心內(nèi)容是驗(yàn)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(nèi)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(diǎn)，它要和外網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)系和聯(lián)絡(luò)，也涉及到介質(zhì)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(nèi)部傳輸介質(zhì)的應(yīng)用，都有被車載以太網(wǎng)技術(shù)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(diào)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(shù)所取代呢？我個人認(rèn)為有兩大驅(qū)動力，第一是成本。大家可以看到，采用以太網(wǎng)技術(shù)的線束或者是車內(nèi)布線，它的復(fù)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(shù)報告，也是來自于互聯(lián)網(wǎng)。第二個驅(qū)動力是技術(shù)層面，車載以太網(wǎng)技術(shù)能夠提供更高的傳輸速率。
以太網(wǎng)技術(shù)這么好，怎么保證它的質(zhì)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(zhì)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(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確講還不是汽車以太網(wǎng)，而是單線對以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)用在通信場合，目前是草案階段，很快會成為正式標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)的介質(zhì)應(yīng)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(zhì)，這兩項目前已成為以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)主流的發(fā)展方向，未來更高速率的傳輸技術(shù)也在研究中。
無論國內(nèi)或者國外，目前正在采用的，以及即將要進(jìn)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?yàn)檫@里采用的是單線對的傳輸介質(zhì)，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(zhì)的傳輸帶寬已經(jīng)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(shù)水平，但對于汽車行業(yè)來說已經(jīng)足夠了，甚至說有點(diǎn)超前，所以，它的測試難度并不大。
首先，用什么設(shè)備來測試呢？對于車載以太網(wǎng)而言，它的技術(shù)于通信行業(yè)來說是相當(dāng)成熟的技術(shù)。因此，目前市場上有大量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備能對它進(jìn)行測試，主要就是我們稱之為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的實(shí)驗(yàn)室設(shè)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(dǎo)體，有四個端頭，這四個端頭要連到信息設(shè)備上，因此我們的測試設(shè)備至少要有四個可以接這四個端口，形成兩個信道。OPEN標(biāo)準(zhǔn)有詳細(xì)的表格，里面列了對測試設(shè)備的基本要求，對于我們實(shí)際使用的實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備而言，是非常容易達(dá)到的一些指標(biāo)。
其次，在哪里完成測試？測試的場所當(dāng)然是在實(shí)驗(yàn)室。但是，實(shí)驗(yàn)室用臺式高精度的設(shè)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(chǎn)，因?yàn)槠噺S所生產(chǎn)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(dāng)然采用設(shè)備的數(shù)量增加以后，設(shè)備的硬件成本也要考慮在內(nèi)。即便我們這樣做了，我們把所有的線束拿到實(shí)驗(yàn)室，能不能代替產(chǎn)線的測試？因?yàn)榫€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(shí)驗(yàn)室是不是可操作？
實(shí)際生產(chǎn)過程中大多數(shù)是采用線束實(shí)驗(yàn)臺，這個實(shí)驗(yàn)臺上的線束狀態(tài)，和拿到實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)、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(shù)水平來講，線束在整車內(nèi)的布放仍然依靠全手工完成，發(fā)動機(jī)、車體、其他的焊接都可以用機(jī)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(shí)驗(yàn)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(biāo)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(jìn)行快速測試？這對實(shí)驗(yàn)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(guān)系圖，生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行狀態(tài)。如果現(xiàn)場測試不合格，將線束拿回到實(shí)驗(yàn)室，肯定也是不合格的。反之，如果實(shí)驗(yàn)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(yù)讓它變得合格。所以，實(shí)驗(yàn)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(chǎn)現(xiàn)場的品控測試；第二、整機(jī)線束裝配以及維修的現(xiàn)場測試；第三，可以兼顧實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(shè)備至少要達(dá)到四個端口雙通道，我們做到了四通道。關(guān)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(zhì)，它的帶寬是到100兆赫茲，支持千兆以太網(wǎng)的介質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們需要的測試極限。一般來說，測試設(shè)備的測試精度應(yīng)該是在滿量程的2/3以內(nèi)，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(yīng)用的情況考慮，肯定要考慮價格，而它的價格絕對是比實(shí)驗(yàn)室設(shè)備低，價格至少是成倍的下降。
下面我們看一下實(shí)際應(yīng)用情況，下圖左邊三張照片實(shí)際來自于美國通用機(jī)器公司，他們的汽車生產(chǎn)線的線束加工實(shí)驗(yàn)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(shù)，其中若干線對是采用了以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)，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(dāng)然，驅(qū)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(jī)。屏幕上會實(shí)時顯示出這條以太網(wǎng)線速的傳輸質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)是TC2的，就是100兆/秒的傳輸測試標(biāo)準(zhǔn)。展示了100兆赫茲和600兆赫茲的測試結(jié)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(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器實(shí)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(jìn)行生產(chǎn)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(jié)尾，需要對某些線束狀態(tài)進(jìn)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(yīng)定制化的端口適配器。儀表設(shè)備的接口，主機(jī)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(jìn)行測試。這是整機(jī)裝車以后的線束測試方案。
第三種就是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，或者是探索性的設(shè)計。在OPEN聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也提到了這個測試方法，測試線對之間串?dāng)_。我們一直在說單線對，實(shí)際上同一個線束內(nèi)可能出現(xiàn)不僅一對傳輸介質(zhì)，可能同時會出現(xiàn)兩個或三個傳輸介質(zhì)，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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)會提供測試方法。但是需要注意，在OPEN標(biāo)準(zhǔn)里面，它采用的是雙通道網(wǎng)絡(luò)分析儀。在測試過程中，要人為地轉(zhuǎn)換端口。實(shí)際上我們在做實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)接端口，所有的控制都來自于計算機(jī)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(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下的測試。
無論是測試方法或者測試設(shè)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(guān)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(shè)備就是新加坡計量院的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)分，旁邊的就是我剛才給大家展示的，實(shí)驗(yàn)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(qū)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(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果。紅線是AEM核心部件獲得的測試數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備獲得的結(jié)果，紅色和黑色是我們部件得到的結(jié)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(jìn)行比對的，從工程角度幾乎可以認(rèn)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(zhuǎn)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(jié)果，和實(shí)驗(yàn)室裝備得到的測試結(jié)果是可以進(jìn)行比對和互認(rèn)的。
最后總結(jié)一下：
- 第一，現(xiàn)場測試是確保車載以太網(wǎng)線束品質(zhì)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(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試的不足，主要彌補(bǔ)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(jié)論，AEM的解決方案提升了單線對以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)的品控測試工效，降低了測試成本。
AEM公司是一家新加坡的上市公司，致力于半導(dǎo)體芯片的性能測試和通信領(lǐng)域。此外，我們和華為也有密切的合作，提供通信傳輸介質(zhì)，包括銅纜和光纖的測試解決方案。
