車載以太網如何測試？ 聽聽AEM怎么說

在汽車智能化和網聯(lián)化等應用中，數據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

在汽車智能化和網聯(lián)化等應用中，數據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，車載以太網將在承載高速數據通信方面發(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絡的設計、驗證、調試、排障、維護和保養(yǎng)。車載以太網如何測試？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，車載以太網傳輸介質測試解決方案》的演講，介紹了AEM的車載以太網測試解決方案。

任長寧：很榮幸能參加這次會議，我本人是新加坡AEM公司的技術顧問，會議目錄上寫的是蘇州永科電子設備有限公司，是新加坡AEM在華全資子公司。今天我匯報的內容是和汽車車載以太網相關，我們之前涉及的領域是半導體芯片和通信，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、網聯(lián)化、共享化。由于汽車智能化和網聯(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/實驗室車載以太網傳輸介質測試解決方案”。涉及的內容有：車載以太網的標準，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公司為車載以太網提供的測試解決方案。
 

關于車載以太網的介質標準，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（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），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，另一方面是網聯(lián)車和車聯(lián)網，汽車成為一個信息節(jié)點，它要和外網進行聯(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，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的趨勢。

傳統(tǒng)的汽車總線用的非常好，為什么會被以太網技術所取代呢？我個人認為有兩大驅動力，第一是成本。大家可以看到，采用以太網技術的線束或者是車內布線，它的復雜度會降低，線束的數量會減少，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。數量減少以后，線束的總重量也會降低。這里有兩個量化數據，一個是硬件成本降80%、一個是重量減30%，兩個數據分別來自于兩個技術報告，也是來自于互聯(lián)網。第二個驅動力是技術層面，車載以太網技術能夠提供更高的傳輸速率。
 

以太網技術這么好，怎么保證它的質量呢？我們需要有量化的數據來評判以太網線束的傳輸質量，這就涉及到了測試。下圖是目前國際上涉及到車載以太網的相關技術標準，準確講還不是汽車以太網，而是單線對以太網傳輸介質的標準。第一項描述的是用單個線對傳輸10比特每秒的數據，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的傳輸速率的傳輸介質，這兩項目前已成為以太網傳輸介質主流的發(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，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量是以萬為單位的，面對這樣一個龐大的數量，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是8個端口、4個通道。為了檢測單線對以太網，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的技術，其中若干線對是采用了以太網的傳輸介質，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，根據用戶以太網線速的端口類型，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，得到的數據是不是可信呢？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據，大家可以看到，下面有兩條曲線，黑色和紅色，黑色的是實驗室網絡分析儀獲得的數據結果。紅線是AEM核心部件獲得的測試數據。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。

再往下，這是橫縱向轉換損耗的測試數據。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傳輸介質的品控測試工效，降低了測試成本。

AEM公司是一家新加坡的上市公司，致力于半導體芯片的性能測試和通信領域。此外，我們和華為也有密切的合作，提供通信傳輸介質，包括銅纜和光纖的測試解決方案。