整車下線測試通信解決方案

本白皮書主要面向希望了解汽車測試，尤其是待測設(shè)備與測試自動化系統(tǒng)之間通信的自動化專家、測試工程師和工廠規(guī)劃人員。它詳細介紹了在網(wǎng)絡(luò)拓撲、電磁干擾、數(shù)據(jù)記錄以及測試系統(tǒng)與ECU/工業(yè)和交通運輸部門的減碳進程引發(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)型過程的一個范例。內(nèi)燃機逐步讓位于電動系統(tǒng)，電池包代替了油箱，傳動系統(tǒng)趨于簡單化，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，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，使得E/E（電子/電氣）架構(gòu)日益復(fù)雜化，從而給現(xiàn)場工程師帶來了重大挑戰(zhàn)。高昂的定價壓力不僅對研發(fā)，還對汽車生產(chǎn)造成了重大影響，尤其是在電動汽車成本20%~30%的情況下尤為重要（Statista，2023）。鑒于動力電池成本占到總成本約40%（歐盟委員會等，2016），如何提高裝配效率和效用無疑成為了生產(chǎn)的焦點。除了作為首要成本因素的電池外，這也同樣適用于電動汽車的其他部件。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)和因素會對生產(chǎn)構(gòu)成重大影響。動力電池的主要挑戰(zhàn)包括22圖1：挑戰(zhàn)概覽這些發(fā)展趨勢意味著測試在生產(chǎn)中的重要性日益突出。HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗也表明，隨著開發(fā)時間的不斷縮短，測試正逐漸從開發(fā)階段轉(zhuǎn)版軟件屢見不鮮，這對測試環(huán)境的速度和適應(yīng)測試系統(tǒng)也受到所有這些趨勢和挑戰(zhàn)的影響，需要選擇性地調(diào)整。本白皮書重點探討測試系測試系統(tǒng)之間的交互，還詳細介紹了相關(guān)挑戰(zhàn)在現(xiàn)代電動汽車生產(chǎn)和測試的大背景下，通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)會對最終產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性造成重大影響。設(shè)計不當(dāng)可能引發(fā)各種嚴重問題，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)計缺陷可能會導(dǎo)致待測設(shè)備與測試系統(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，不僅會損壞待測設(shè) 33備，還會損壞測試系統(tǒng)的大部分設(shè)備。無論哪隨著廠商和通信節(jié)點增多，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計日趨復(fù)雜化，使得維護和故障排除變得更加棘手，進而影響到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。最糟糕的情況下，通信中斷可能會導(dǎo)致停工停產(chǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)可追溯性不足往往會導(dǎo)致故障排除和維修耗時數(shù)日之在某些情況下，調(diào)整測試系統(tǒng)以適應(yīng)新的集成階段對時間和專業(yè)知識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)待測設(shè)備變CAN和CANFD拓撲分析通信系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)是所使用的通信ISO11898-1:2015和ISO11898-2:2016標(biāo)準雖然對應(yīng)用指南。憑借多年的經(jīng)驗積淀和深厚的專業(yè)知識，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兩個終端節(jié)點之間的最大總線長度：1Mbit/s時為40米圖3：CAN網(wǎng)絡(luò)的線性拓撲結(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速率下可達到40米。但在實際應(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，真實可達到的長度要短得多。”–CiA在實踐中很難定義一個通用值，因為它會因系統(tǒng)而異。比如，在HMS工業(yè)網(wǎng)絡(luò)參與的項目中，CANFD網(wǎng)絡(luò)的最大允許電纜長度僅為5~10米。除了比特率，拓撲結(jié)構(gòu)對于CANFD網(wǎng)絡(luò)的絡(luò)極易受單端線影響，因為未接終端電阻的的線纜末端會發(fā)生信號反射；CiA也對此有官方“星形和混合拓撲結(jié)構(gòu)會限制可實現(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)測試系統(tǒng)中宜采用簡單的拓撲結(jié)構(gòu)，以確保即使在最大數(shù)據(jù)速率下也nnnnnnRRRRnn圖4：單端線和長度問題 nn R nn R55電壓，給自動化測試和生產(chǎn)系統(tǒng)增添了新的風(fēng)險，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)計不僅取決于適當(dāng)?shù)耐負浣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網(wǎng)絡(luò)。電機、逆變器和其他開關(guān)組件可能會產(chǎn)生峰值電壓，主要表現(xiàn)為電磁干擾或網(wǎng)絡(luò)另一項挑戰(zhàn)是通信系統(tǒng)中各個節(jié)點的電氣隔離，如待測設(shè)備與自動化測試系統(tǒng)之間的隔池或驅(qū)動電機等組件在工作時采用大電流和高圖6：接地回路以及待測設(shè)備和自動化系統(tǒng)之間的電位差66Ethernet實時硬件測試系統(tǒng)圖7：將測試自動化系統(tǒng)連接到ECU和RBS測試自動化系統(tǒng)與ECU和RBS的互連殘余總線仿真(RBS)是生產(chǎn)和測試的一個更復(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)點和信號來確保待測設(shè)備 nnn配套的高速率下，會導(dǎo)致消息延遲或丟失，進而違反ECU規(guī)定的周期時間。采用獨立的專用實時硬件盡量縮短電纜長度，同時精確遵守周期時間要求，就能確保測試不出錯。生成校驗(CRC)和有效計數(shù)器的嚴格時效性也會給許多用戶帶來挑戰(zhàn)。計算循環(huán)冗余校驗(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行CRC計算至關(guān)重要，這表明針對任何修改的靈活性又是一大挑戰(zhàn)。利用專用的實時硬件進行殘余總線仿真還引發(fā)了一個問題，即如何有效地將測試自動化等系統(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，可使測試自動化系統(tǒng)與ECU和RBS的互連殘余總線仿真(RBS)是生產(chǎn)和測試的一個更復(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)點和信號來確保待測設(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導(dǎo)致消息目錄變化，進而需要對測試系統(tǒng)進行相應(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)記錄須實施簡單靈活的系統(tǒng)來盡可能減少適應(yīng)新集在汽車生產(chǎn)測試過程中，通信系統(tǒng)面臨的另一在汽車生產(chǎn)測試過程中，通信系統(tǒng)面臨的另一項關(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，通信數(shù)據(jù)對電池特別重要，但其一大動機是質(zhì)量保證以及針對法律和保修索賠的保護。記錄待測設(shè)備與測試自動化系統(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，以及每個測試步驟和各個待測設(shè)備之間的對應(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設(shè)備與測試系統(tǒng)之間的通信要求：PC平臺解決方案或獨立的車輛通信接口(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，需使用擴展設(shè)備。此外，許多獨立的VCI已具有很高的電氣隔離性能，能為測試系統(tǒng)提供最大保護。相比之下，許多與PC平臺解決方案配套的CANPC接口要么無電氣隔離，要么隔離強度不夠，需要使用額外的高強不過，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平臺解決方案中，整