汽车设计已经抓住了公众的想象力，他们的期望为在这个领域工作的工程师创造了无数的技术挑战。对于SI/PI/EMC/EMI工程师来说，由于恶劣的环境和拥挤的系统，在车内面临的挑战是独一无二的。在这篇特别报道中，我们与五位汽车应用领域的专家进行了交谈，他们分别从事仿真/测试和测量(Rohde & Schwarz, Keysight Technologies)、连接器(TE Connectivity, Samtec)和汽车芯片组设计(Valens)，以解决最新汽车应用的关键需求。
它不像一个服务器
众所周知，在汽车电子领域，可靠性和寿命是汽车设计中选择的关键因素，因此必须为这一应用专门设计组件。恶劣的环境，包括大的温度变化(−40°C到+125°C)和振动需要严格的规格。汽车EMC要求可能不太为人所知。“电气模块被封装在一个非常紧密的环境中，多个电子控制单元彼此挨着。这要求应用程序的设计要围绕严格的EMC、SI和容错预算，”TE Connectivity产品管理高级经理Huzefa Bharmal指出。
工程师需要重新思考他们的过程设计和里程碑计划，如果他们习惯于设计标准消费产品。例如，Samtec汽车/运输全球销售经理Jim Koch指出:“随着时间的推移，所需的过程控制会导致额外的文档、测试和工程审查。”
这里还有一个电力问题，因为汽车电子产品的所有电力都必须在本地产生和存储。Keysight Technologies汽车和能源解决方案负责人Fred Weiller表示，标准内燃机(ICE)使用一个单独的电动总线与一个12v电池相关联，而混合动力电动汽车使用一个48v电池和总线。Weiller指出，在ICE/交流发电机架构中，繁重的电气负载要求系统能够承受许多电气瞬变和电气负载的变化，这些变化可能会影响到车内的其他部件，特别是当空调机组打开时。
公交车速度在上升
理所当然，车内的更多电子设备(雷达、传感器、信息娱乐、安全等)将增加车内对带宽和速度的需求。Valens营销副总裁Dana Zelitzki表示:“车内连接必须提供必要的速度，同时保证低延迟、高性能和最大的抗电磁干扰(EMI/EMC)弹性。”Zelitzki指出，就速度而言，12gbps是市场更直接的目标，首先要满足摄像头和传感器的需求。然后，随着汽车在自动驾驶和设备数量方面的发展，带宽将随之增加，正如最近公布的MIPI联盟®的a - phy规范所暗示的那样，目前正在开发中，预计支持16 - 24gbps的速度，路线图为48+ Gbps甚至更高。Valens的汽车技术是A-PHY连接标准的基础。
Zelitzki还指出，在支持未压缩数据传输方面存在一些问题，特别是在不能容忍与压缩相关的延迟的高级驾驶员辅助系统(ADAS)应用程序中。她指出，压缩也增加了整体架构的复杂性，从而增加了成本。
Rohde & Schwarz汽车经理Nik Dimitrakopoulos博士指出，汽车以太网是来自IEEE 802.3和802.1组的规范，是一个可扩展的和未来的证明标准。IEEE正在努力批准2.5/5/10 Gbps的规范，其中一些小组正在研究高达50 Gbps的数据速率。Dimitrakopoulos报告称，OPEN联盟(一个鼓励在汽车网络应用中广泛采用基于以太网的网络作为标准的行业组织)正在努力实现10 Gbps的速度，并有可能增长到40 Gbps。通过这项工作，他看到了传感器融合和高速电缆骨干的潜力。
此外，Dimitrakopoulos指出，如果10BASE-T1S能够实现标准化，它可能会取代控制器区域网络(can)总线，使未来的汽车有可能完全运行在汽车以太网上。然而，韦勒警告说，“车辆中如此高的数据速率可能会带来新的挑战。例如，信道可用性与极其不稳定和嘈杂的EMC和EMI汽车环境相结合，可能会导致考虑光学链路作为电线的替代方案。”
尽管采取了这种方法，但所有人似乎都同意，汽车中将需要高速公共汽车。Bharmal报告称，目前客户对高达25gbps的解决方案的需求，并指出oem正在寻求使用高速总线来支持这一需求。作为参考，一个以60 FPS运行的4K相机传感器产生约12 Gbps的未压缩数据，而用于探测的远程雷达产生约10 Gbps的未压缩数据。Koch对此表示赞同，并指出他已经在处理汽车OEM客户关于112 Gbps PAM4解决方案的信息需求，以预测下一代架构。
计算能力
自动驾驶技术或驾驶辅助技术的发展正在极大地改变车内数据处理的要求，并将部分计算转移到云端。据Dimitrakopoulos称，自动驾驶汽车预计每天处理4到5 tbyte的数据。大部分计算预计将在车辆内部完成，一些数据将被卸载并由附近的网络(边缘计算)处理。能够卸载多少计算可能取决于5G网络的能力。
Bharmal和Zelitzki指出，由于延迟和安全原因，汽车oem更倾向于将关键的计算放在车内，直到技术进步，更多的计算可以安全地卸载到云端。考虑到这些因素，这是具有挑战性的:5级(L5)自治将需要超过25 Gbps来支持+ 4tb /hr的数据生成。作为参考，特斯拉用于L3/L4自动驾驶的ADAS芯片的设计能力为72万亿次/秒。ZF的ProAI RoboThink可以处理150万亿次/秒的操作。NVIDIA Pegasus(正在为L4/L5开发中)可以处理高达320万亿次/秒的操作。
Zelitzki看到了人们对智能汽车架构的兴趣，他解释说，每个应用程序/设备都有自己的ECU/CPU，这增加了整个汽车架构的复杂性和成本。智能汽车架构将允许通过不同部件之间高速、低延迟的连接，在车内远程共享资源。另外，通过数据的远距离传输，不同的应用程序和设备可以共享同一个计算单元，从而减少计算单元的数量。她的公司专注于将不同的接口(视频、数据、USB、PCIe、以太网)通过一条线路聚合在一起，因此他们对这种架构非常感兴趣。
除了这些考虑之外，科赫指出:“我们正在看到一些蜂群思维系统——一辆车学到什么，所有的车都会学到什么。这么大的数据量需要5G可以提供的快速、低延迟的连接。”Weiller补充说，5G C-V2X等新标准和低延迟通信计划将使卸载板载系统在不影响关键ADAS应用响应时间的情况下提升计算能力。
EMI和电源完整性
电磁干扰是所有联网汽车的一个主要问题，考虑到涉及的功率和电缆数量，电动汽车(EV)更是如此。巴马尔观察到，电动汽车中最大的电磁干扰来源是电源转换器。因此，靠近高压堆栈甚至辐射天线的组件被设计成在不同的频率和阻抗水平下工作。
韦勒指出，当能量流入/流出逆变器/发电机和从/流向电池时，电动汽车中的瞬态也可能是快速加速或减速的结果。DC:DC转换器从电池中获取高电压，并将其转换为其他组件使用的低电压(通常为12v)，保护车辆中的其余电路。
根据Koch的说法，汽车电磁干扰工程师需要关注低频磁干扰和高频数字发射。他补充说，低频EMI设计通常倾向于单点接地系统，而高速数字则尽可能多地采用多点接地系统。
Zelitzki解释说，减少电缆、连接器和设备的数量可以提高抗电磁干扰的弹性。在电动汽车运行过程中，数百安培的电流可以从汽车的前面流到后面。这种大电流在汽车内不同的ecu之间产生电压降。她特别指出，这些电压下降会导致高达6a的电流通过数据电缆的屏蔽，这可能会破坏传输通道的完整性。Valens的方法是使用非屏蔽双绞线(UTP)，他们说这可以防止此类问题的发生。
未来安全系统
人们一致认为，未来的汽车在向L5自动驾驶迈进的过程中，将同时使用雷达和摄像头，在成本和效率(安全)之间进行权衡。
Dimitrakopoulos这样总结:雷达和相机是互补的传感技术。雷达在雨雪环境下表现强劲，可以即时测量移动物体的速度，而相机则具有更高的分辨率，有利于物体探测。这两项技术将同时用于360度环绕传感。
Weiller指出，77至81 GHz雷达的可用性极大地提高了其区分较小物体的能力。雷达技术的主要优势是它不受天气和光线的限制，因此它提供了相机领域所没有的一致性和可用性。
“归根结底，这不是一个非非为的问题，而是来自多种技术的多个传感器的丰富组合，提供了一组重叠的数据点，使车辆的人工智能(AI)受益，就像人类受益于视觉、听觉和触觉等互补感官的信息，以评估他们的环境，并尽可能做出最佳决策一样，”Weiller说。
测试和测量愿望清单
设计和技术的转变通常需要新的测试和测量方法，未来的汽车也不例外。当然，标准机构正在为此提供帮助，但我们询问了非t&m小组成员，他们从自己的角度希望得到什么。
巴马尔:可以进行车辆级别测试的电磁兼容室以及可以在高频下工作的多端口VNA将非常有帮助。此外，能够在高温和振动下进行现场测试的环境室也很重要。
Zelitzki:我们今天在测试中看到的一个主要问题与仪器的类型关系不大，而是与测试标准本身有关。我们相信，考虑到增加的带宽预期，更多的应用程序和设备，我们需要更严格的测试指南来保证安全性和性能。
根据IEC62153-4-7，汽车以太网需要筛选衰减和耦合衰减测试。测试齿轮需要包括一个三轴夹具，这是大多数SI实验室没有的东西。这些测试需要“工匠”级的注意细节，以确保屏蔽终端是可重复的，并具有典型安装的代表性。简化这些测试的测试设备和系统将被欢迎用于开发和生产级别的测试。
新兴的10G汽车以太网和SDC11对−65 dB的要求有一些特定的测试和测量问题，具体来说，我们将如何进行测量?科赫和巴马尔帮助构建了这个问题。“从Samtec的角度来看，这些模式转换要求非常严格。随着时间的推移，保持该领域的这种平衡水平对该行业来说将是一项挑战。”Bharmal补充道:“随着我们转向基于10G汽车以太网的安全应用，适当的测量和测试将是至关重要的。将需要特殊的线端测试器和夹具来测量和确认产品。高频VNA校准将是一个巨大的挑战，但我相信我们将找到方法使该过程自动化，以确保每次重复和可靠的性能。”
我们的T&M小组成员也很有信心，他们回答说:“到目前为止，10G汽车以太网仍在讨论中;该标准预计将在2020年年中的某个时候出台。对于测量10GBASE-T1，需要更高带宽的示波器和VNA。通过提供高端和高精度的设备，R&S提供了正确的工具，以帮助工程师应对新的挑战，”Dimitrakopoulos说。
Weiller指出，Keysight在VNA/组件测试领域拥有数十年的测量和校准专业知识，提供电子和机械标准开短负载(OSL)校准套件，“使客户能够确保测量平面在其应该在的位置，在任何测试夹具的末端，而不是在分析仪端口本身。”该公司还支持更先进的校准技术，如夹具移除/晶圆/探针校准和多重混合器校准技术，以提高测量的可靠性和重复性。
下一步是什么
总而言之，与普通的消费者应用相比，汽车设计总是有显著不同的组件可靠性要求(10年和几年)。实现必要的可靠性以避免灾难性故障是一项挑战，而自动驾驶汽车将更难做到这一点。
Bharmal认为，可能最大的挑战之一将是在大规模生产中实现高可靠性。他指出，这些产品是按照汽车电子委员会(AEC)的可靠性要求设计的，并根据IATF 16949指南生产。随着我们向全自动驾驶的方向发展，汽车将不间断地、24/7地运行，可靠性要求将非常严格，以在恶劣的汽车环境下模拟+40万英里的运行里程。
Weiller担心的是，如果没有行业范围内的标准机构和政策，将很难确保所有测试都以相同的高标准执行。他的团队积极参与多个标准组织，如汽车雷达ETSI和汽车以太网开放联盟，以推动行业级别的标准化测试。这一点很重要，因为在最坏的情况下，一个关键的系统故障可能会导致事故，或大电池电动汽车起火。在工业应用中，故障可能会影响成本和时间，但不会影响寿命。因此，可靠性和质量在汽车应用中是至关重要的。适当分割的电气系统，并在适当的地方冗余的安全，是一个设计要求。如果所有的系统运行在同一个电气母线上，一个故障就会影响到所有的系统，对AV造成不利的后果。对于电动汽车中用于驱动动力系统的电源模块，晶体管必须是合格的，并且在可能导致灾难性故障的条件下是可靠的。
对健全标准的需求是一个全球性问题。Dimitrakopoulos报告称，汽车行业，特别是在德国，对安全的要求比消费行业高得多。他指出，欧盟发起了一个名为“零愿景”的项目，目标是到2050年实现道路交通零严重伤害。“如果在功能安全(汽车标准是ISO 26262)、安全措施和先进的驾驶辅助系统方面没有强有力的努力，‘零愿景’就不可能实现。”
为当前和下一代汽车应用进行设计的工程师们面临着明显的挑战，但他们似乎意识到了前进道路上可能存在的障碍。
更多的信息
1.开放的联盟,http://opensig.org/about/about-open/．
4.SAE国际:SAE国际是一个拥有超过128,000名航空航天、汽车和商用车行业工程师和相关技术专家的全球协会。它的核心竞争力是终身学习和自愿共识标准的制定，www.sae.org/．
5.《SAE国际自动驾驶等级图表》www.sae.org/news/press-room/2018/12/sae-international-releases-updated-visual-chart-for-its- -standard-for-self-driving-vehicles“levels-of-driving-automation”．