汽车电子的测试挑战和策略

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 读者们一定与我有同感,现在的汽车比从前复杂得多了,特别是从电子设备的角度来看。当您今天坐在驾驶室里的时候,会发现您的周围充满了各式各样的显示器,那情景简直比的上10年前的喷气式战斗机驾驶舱。利用语音识别系统,您可以选择播放哪一首音乐,寻找匹萨店,或是打电话问候一下姑姑。当您踩下刹车踏板,汽车总是自己做了合适的姿态调节,不再需要您自己去努力调整。现在汽车上的电子系统已经不再是什么高高再上的精密设备,它们已经深入到了汽车的各种控制设备内部。

  SAE(汽车工程师社区-https://www.sae.org/)预测,到2010年,汽车中的电子设备平均将占到总价格的 40%!以美元为单位,2008年独立半导体器件的销售额约为200亿(源自Databeans公司-https://www.databeans.net /的市场调查)。这一数字因为众所周知的原因在2009年将有所下降,但这是暂时性的,因为汽车里面已经再也不能没有电子设备了。喷射系统,燃油控制,导航,安全系统全部在由电子设备控制。

  所以,作为测试工程师,我们该如何处理下一代电子控制单元(ElectronicControl Unit,ECU)装配之前的复杂测试呢?什么样的测试系统——我要强调的是“系统”,没有任何单一的ATE平台能够完成所有的测试工作——是最合适的。在这篇短文中,我将努力使您更加了解各种应用与测试策略。至少我希望帮助您理清思路,这样您可以更加准确地向系统集成商和/或ATE供应商提问,并帮助您作出正确的选择。

 

  产品开发

  当然,所有新设计的产品在发布之前都要经过验证与测试。在实验室测试策略中HILs(Hardware In the Loop)越发显得重要。一般来讲,这是主要用于测试ECU在遇到外部故障情况时的响应,一般故障包括:丢失信号,短路到地或Vbat,或是错误数据。在 ATE行业中通常选择故障注入开关系统(Fault Insertions switching system)实现这种测试。有几家公司提供我上面提到的故障生成/注入的硬件设备。因为在汽车中ECU的安全性至关重要,所以高水平的此类测试也同样非常重要。

  过程测试

  在装配和品质测试的过程中,汽车工业在引进新技术方面显得有些保守。根据INEMI(International Electronics Manufacturing Initiative - https://www.inemi.org/)的报告,汽车工业在引进小尺寸封装的PCB方面落后于其它行业。主要的影响因素是使用环境——温度范围 -40~+250摄氏度(尾气传感器的工作温度可达580摄氏度),多G的震动都要求其结构设计标准要远高于一般行业,如家用电脑。原器件密度也同样比其它消费产品低很多。另外,在未来一段时间内,汽车上的大部分时钟也不会超过150MHz,测试点仍旧是在机械和电气上可触及的形式。这些信息表明ICT测试(In-circuit testing在线测试)在未来几年内仍将在装配线上占据重要位置。

  AOI(Automated Optical Inspection自动光学检查)也很重要。对于电气连接受限的ECU,AOI是最经济的加工测试方法。由于汽车ECU通常包含很多大功率——同时也是大尺寸的——器件如继电器、线圈等,所以光学检测时相机的高度和对ECU上大小器件同时对焦的能力非常重要。

  出于质保和可靠性的考虑,在汽车工业中也非常看重把AXI(Automatic X-Ray Inspection自动X射线检测)做为测试策略的一部分。因为BGA封装的器件引脚数很多,所以验证所有引脚都焊接牢固非常重要,特别是对于那些涉及到安全性的ECU:如ABS防抱死系统、安全气囊控制器、主动式安全系统和线传控制(X by Wire)等。因为汽车的转向和刹车(即将实现)全电子控制,所以在不远的将来,这些测试将至关重要。

  因为光学检查看不到BGA芯片底下的部分,而且事实上不是所有的I/O都有引出端,所以AXI在测试策略中的重要性日益提高。尽管受到2008和2009经济衰退的影响,全世界年均新购的汽车数量仍高达5千万辆(数据源自Automotive News – https://www.autonews.com/)。

 

  目前的 AXI系统检测速度很低(3D X射线检测约为0.6平方英寸/秒,2D X射线检测约为6平方英寸/秒)。如果提高检测速度则ATE制造商也要相应提高设备的分析速度,由此导致的成本上升在对成本敏感的汽车业中也是个重要的考虑因素。在很多情况下,可以通过对ECU进行部分X射线检测,对其它部分采用AOI或ICT检测的方式以保证生产线的效率。

  各种不同类型需求

  EOL的复杂性决定了测试的困难度,因为这里的任务是模拟真实的工作环境,所以完成这些复杂的测试需要做完善的计划。ECU有一些需求要在功能测试系统中加以考虑,包括:

 

  电源需求:电子控制单元决定何时驱动如马达和线圈等机电设备工作。按照当前的汽车电源总线的12V标准,这意味着可能出现很大的电流–电动助力转向需要高达 100A!V8发动机上的可变气门执行器需要高达2400W的峰值功率!相当于12V电压下电流峰值可达200A!所以合适的开关规范和冷却能力相当重要。

  混合动力汽车:动力系统的点烟可能高达300V,但是大部分外围设备——如车灯、娱乐与车载仪器设备——运行在很低的电压下。所以在这类设计中通常有电压转换。而且因为300VDC的电压比较危险,所以测试计划中必须考虑隔离测试以保证安全性。

  串行通讯:汽车工业已经接受了网络的概念,或者按照他们自己的说法叫做“多路连接”——按照汽车中各个ECU的连接结构。多路技术已经用于显示诊断、安全与性能等信息(例如速度表已经不再由单独的电缆来驱动),并且现在也用于娱乐与导航方面。但是,实际上使用的协议过多是个问题。

  CAN(Controller Area Network)是应用最广泛的,K-Line和LIN(Local Interconnect Network)也应用比较广泛。还有其它如用于电传线控和主动安全保护的实时协议如FlexRay和TTP(Time-Triggered Protocol)以及光纤协议如MOST(Media Oriented System Transport)和IDB1394(派生自IEEE-1394,或称作FireWire),这些通常用于娱乐和车载通讯的协议目前主要用于高端的汽车,将来如果价格降低也可以应用在中低端产品中。

  有一些组织如AUTOSAR(Automotive Open System Architecture - https://www.autosar.org)正在寻求简化ECU开发与互联通讯的方法–但是实现起来需要一定时间。所以现在不论您是购买还是搭建的测试系统,您必须处理各种各样的不同的协议。

  RF应用:在汽车ECU测试中AM/FM广播,RF与微波测试已经应用更加广泛。与移动电话互联的蓝牙(Bluetooth®)接口已经在低成本的汽车中广泛应用。IEEE报道过使用BAP(Bluetooth Access Points)建立微型网络的概念设计。这个设计的目标是可以避免设备识别时的冲突问题。最后,还有交互式巡航控制,主要使用雷达波段(40GHz)用于保持安全车距。

  结束语

  电压12V到300V–电流最高达200A–带宽从DC到光波–这是多么巨大的挑战!很明显我在这里我无法给您全部的答案–相关的书籍已经充分讲解了这些话题。但是希望通过这篇文章您已经有了多一些的想法,可以使您的工作更加轻松一点——也使我们的汽车更加安全和舒适。

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