整車下線測(cè)試通信解決方案

本白皮書主要面向希望了解汽車測(cè)試，尤其是待測(cè)設(shè)備與測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)之間通信的自動(dòng)化專家、測(cè)試工程師和工廠規(guī)劃人員。它詳細(xì)介紹了在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、電磁干擾、數(shù)據(jù)記錄以及測(cè)試系統(tǒng)與ECU/工業(yè)和交通運(yùn)輸部門的減碳進(jìn)程引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)，例如使用可再生能源代替化石燃料。其中一個(gè)結(jié)果就是工業(yè)領(lǐng)域和私人家庭的全面電氣化?，F(xiàn)代汽車是這一轉(zhuǎn)型過程的一個(gè)范例。內(nèi)燃機(jī)逐步讓位于電動(dòng)系統(tǒng)，電池包代替了油箱，傳動(dòng)系統(tǒng)趨于簡(jiǎn)單化，車載充電器、逆變器和熱泵成為了汽車不可或缺的組成部分。同時(shí)，子系統(tǒng)數(shù)量不斷增長以及軟件定義車輛(SDV)等發(fā)展趨勢(shì)，使得E/E（電子/電氣）架構(gòu)日益復(fù)雜化，從而給現(xiàn)場(chǎng)工程師帶來了重大挑戰(zhàn)。高昂的定價(jià)壓力不僅對(duì)研發(fā)，還對(duì)汽車生產(chǎn)造成了重大影響，尤其是在電動(dòng)汽車成本20%~30%的情況下尤為重要（Statista，2023）。鑒于動(dòng)力電池成本占到總成本約40%（歐盟委員會(huì)等，2016），如何提高裝配效率和效用無疑成為了生產(chǎn)的焦點(diǎn)。除了作為首要成本因素的電池外，這也同樣適用于電動(dòng)汽車的其他部件。然而，電池在生產(chǎn)中的核心地位不僅歸結(jié)于其成本，還有其他挑戰(zhàn)和因素會(huì)對(duì)生產(chǎn)構(gòu)成重大影響。動(dòng)力電池的主要挑戰(zhàn)包括22圖1：挑戰(zhàn)概覽這些發(fā)展趨勢(shì)意味著測(cè)試在生產(chǎn)中的重要性日益突出。HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)也表明，隨著開發(fā)時(shí)間的不斷縮短，測(cè)試正逐漸從開發(fā)階段轉(zhuǎn)版軟件屢見不鮮，這對(duì)測(cè)試環(huán)境的速度和適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)也受到所有這些趨勢(shì)和挑戰(zhàn)的影響，需要選擇性地調(diào)整。本白皮書重點(diǎn)探討測(cè)試系測(cè)試系統(tǒng)之間的交互，還詳細(xì)介紹了相關(guān)挑戰(zhàn)在現(xiàn)代電動(dòng)汽車生產(chǎn)和測(cè)試的大背景下，通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性造成重大影響。設(shè)計(jì)不當(dāng)可能引發(fā)各種嚴(yán)重問題，從而造成高昂的成本或造成停產(chǎn)。下接地不正確和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)缺陷可能會(huì)導(dǎo)致待測(cè)設(shè)備與測(cè)試系統(tǒng)之間存在電位差，通過通信線路來平衡。最好的情況下，造成的損壞僅限于收發(fā)器；但在最壞的情況下，不僅會(huì)損壞待測(cè)設(shè) 33備，還會(huì)損壞測(cè)試系統(tǒng)的大部分設(shè)備。無論哪隨著廠商和通信節(jié)點(diǎn)增多，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜化，使得維護(hù)和故障排除變得更加棘手，進(jìn)而影響到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。最糟糕的情況下，通信中斷可能會(huì)導(dǎo)致停工停產(chǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)可追溯性不足往往會(huì)導(dǎo)致故障排除和維修耗時(shí)數(shù)日之在某些情況下，調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)以適應(yīng)新的集成階段對(duì)時(shí)間和專業(yè)知識(shí)提出了極其苛刻的要求。在生產(chǎn)環(huán)境中，能否快速響應(yīng)待測(cè)設(shè)備變CAN和CANFD拓?fù)浞治鐾ㄐ畔到y(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)是所使用的通信ISO11898-1:2015和ISO11898-2:2016標(biāo)準(zhǔn)雖然對(duì)應(yīng)用指南。憑借多年的經(jīng)驗(yàn)積淀和深厚的專業(yè)知識(shí)，HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)能為解決這些協(xié)議的限制則，專為兩端采用120歐姆端接電阻的清晰線性圖2：CAN和CANFD網(wǎng)絡(luò)的長度限制44nRnnnnnnnn兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的最大總線長度：1Mbit/s時(shí)為40米圖3：CAN網(wǎng)絡(luò)的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照這一邏輯，在最高仲裁速率1Mbit/s下理論“理論上，在1Mbit/s速率下可達(dá)到40米。但在實(shí)際應(yīng)用中，受所用的電纜、連接器和其他物理層組件（包括收發(fā)器芯片）的影響，真實(shí)可達(dá)到的長度要短得多?！报CCiA在實(shí)踐中很難定義一個(gè)通用值，因?yàn)樗鼤?huì)因系統(tǒng)而異。比如，在HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)參與的項(xiàng)目中，CANFD網(wǎng)絡(luò)的最大允許電纜長度僅為5~10米。除了比特率，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于CANFD網(wǎng)絡(luò)的絡(luò)極易受單端線影響，因?yàn)槲唇咏K端電阻的的線纜末端會(huì)發(fā)生信號(hào)反射；CiA也對(duì)此有官方“星形和混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的速度/長度比。建議盡量縮短未端接的單端線和支線的長度?！报CCiA這些結(jié)論表明，在生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)中宜采用簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以確保即使在最大數(shù)據(jù)速率下也nnnnnnRRRRnn圖4：?jiǎn)味司€和長度問題 nn R nn R55電壓，給自動(dòng)化測(cè)試和生產(chǎn)系統(tǒng)增添了新的風(fēng)險(xiǎn)，由此增加了因接地回路或瞬態(tài)電壓導(dǎo)致?lián)pA圖5：電磁干擾和電氣隔離VVV 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不僅取決于適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，還需要考慮電磁干擾的潛在影響，并利用電氣隔離來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。電機(jī)、逆變器和其他開關(guān)組件可能會(huì)產(chǎn)生峰值電壓，主要表現(xiàn)為電磁干擾或網(wǎng)絡(luò)另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是通信系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，如待測(cè)設(shè)備與自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)之間的隔池或驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組件在工作時(shí)采用大電流和高圖6：接地回路以及待測(cè)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)之間的電位差66Ethernet實(shí)時(shí)硬件測(cè)試系統(tǒng)圖7：將測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)連接到ECU和RBS測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)與ECU和RBS的互連殘余總線仿真(RBS)是生產(chǎn)和測(cè)試的一個(gè)更復(fù)雜問題。顧名思義，殘余總線仿真旨在通過仿真模擬不存在的通信節(jié)點(diǎn)和信號(hào)來確保待測(cè)設(shè)備 nnn配套的高速率下，會(huì)導(dǎo)致消息延遲或丟失，進(jìn)而違反ECU規(guī)定的周期時(shí)間。采用獨(dú)立的專用實(shí)時(shí)硬件盡量縮短電纜長度，同時(shí)精確遵守周期時(shí)間要求，就能確保測(cè)試不出錯(cuò)。生成校驗(yàn)(CRC)和有效計(jì)數(shù)器的嚴(yán)格時(shí)效性也會(huì)給許多用戶帶來挑戰(zhàn)。計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的算法可能因OEM廠商、車型或集成階段而有所不同。此外，確保始終在發(fā)送消息前的最后一步進(jìn)行CRC計(jì)算至關(guān)重要，這表明針對(duì)任何修改的靈活性又是一大挑戰(zhàn)。利用專用的實(shí)時(shí)硬件進(jìn)行殘余總線仿真還引發(fā)了一個(gè)問題，即如何有效地將測(cè)試自動(dòng)化等系統(tǒng)的目標(biāo)數(shù)據(jù)整合到殘余總線仿真中。根據(jù)應(yīng)用和可用接口的不同，可使測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)與ECU和RBS的互連殘余總線仿真(RBS)是生產(chǎn)和測(cè)試的一個(gè)更復(fù)雜問題。顧名思義，殘余總線仿真旨在通過仿真模擬不存在的通信節(jié)點(diǎn)和信號(hào)來確保待測(cè)設(shè)備 nnn圖8：殘余總線仿真77圖10：數(shù)據(jù)記錄如前面章節(jié)和引言中所述，現(xiàn)代車輛開發(fā)方法新版軟件的發(fā)布和集成階段往往會(huì)導(dǎo)致消息目錄變化，進(jìn)而需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的更改。這還可能涉及更改殘余總線仿真，甚至圖10：數(shù)據(jù)記錄須實(shí)施簡(jiǎn)單靈活的系統(tǒng)來盡可能減少適應(yīng)新集在汽車生產(chǎn)測(cè)試過程中，通信系統(tǒng)面臨的另一在汽車生產(chǎn)測(cè)試過程中，通信系統(tǒng)面臨的另一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是記錄所有的通信數(shù)據(jù)，近年來其重要性日益突出。其原因多種多樣?？傮w趨勢(shì)是收集一切可用數(shù)據(jù)，從中推斷各種結(jié)論以獲得額外好處。比如，在創(chuàng)建數(shù)字孿生時(shí)，通信數(shù)據(jù)對(duì)電池特別重要，但其一大動(dòng)機(jī)是質(zhì)量保證以及針對(duì)法律和保修索賠的保護(hù)。記錄待測(cè)設(shè)備與測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)之間的所有通信數(shù)據(jù)，甚至在多年后仍能用來推斷生產(chǎn)質(zhì)量相關(guān)的結(jié)論。此外，這些數(shù)據(jù)還可用于一般分析或故障排除。其中一大挑戰(zhàn)是建立清晰的日志文件，以及每個(gè)測(cè)試步驟和各個(gè)待測(cè)設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保最大限度的可追溯性。根據(jù)應(yīng)用和使用情況不同，可選擇基于信號(hào)或消息的日志圖9：適應(yīng)新組件的調(diào)整靈活性88有兩種方法可以解決上述問題并滿足待測(cè)設(shè)備與測(cè)試系統(tǒng)之間的通信要求：PC平臺(tái)解決方案或獨(dú)立的車輛通信接口(VCI)。這兩種方法各有千秋，詳見圖11。比如，由于物理限制，純PC其物理范圍限制，需使用擴(kuò)展設(shè)備。此外，許多獨(dú)立的VCI已具有很高的電氣隔離性能，能為測(cè)試系統(tǒng)提供最大保護(hù)。相比之下，許多與PC平臺(tái)解決方案配套的CANPC接口要么無電氣隔離，要么隔離強(qiáng)度不夠，需要使用額外的高強(qiáng)不過，這兩種方法的最大差異主要體現(xiàn)在殘余總線仿真方面。在純PC平臺(tái)解決方案中，整個(gè)仿真在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。其優(yōu)勢(shì)是算力強(qiáng)，可進(jìn)行更復(fù)雜的仿真；主要劣勢(shì)是Windows和Linux系統(tǒng)無法保證實(shí)時(shí)能力和不能嚴(yán)格遵守指定的周期時(shí)間。相比之下，獨(dú)立系統(tǒng)價(jià)格低、體積-算力--算力--周期時(shí)間-周期時(shí)間-編程工作量圖11：PC平臺(tái)vs.獨(dú)立設(shè)備99小，但算力有限。不過它們專為實(shí)時(shí)仿真和精確時(shí)間控制而設(shè)計(jì)，非常適合小規(guī)模的仿真和計(jì)算校驗(yàn)。兩種方法的另一大區(qū)別在于仿真的組態(tài)和編程。在計(jì)算機(jī)上可實(shí)施復(fù)雜的仿真，但需要大量編程工作；而獨(dú)立解決方案采用簡(jiǎn)單的拖放式組態(tài)，無需編程工作。這主要體現(xiàn)在周轉(zhuǎn)時(shí)間上，因?yàn)檎{(diào)整PC平臺(tái)的殘余總線仿LinkedIn個(gè)人主頁：www.linkediKarolinaAlbrecht是HMS工業(yè)網(wǎng)