23、汽车电子系统的网络、故障及测试技术解析

汽车电子系统的网络、故障及测试技术解析

1. 汽车网络技术

1.1 控制器局域网（CAN）

CAN 是一种新型串行总线，由博世公司在 20 世纪 80 年代开发，旨在解决未来汽车众多电子设备之间的数据交换问题。CAN 总线具有高智能、容错和可靠性高的优点，能够支持分布式实时控制，因此迅速流行起来，尤其在汽车行业。CAN 标准规定，现成的控制器包含基于循环冗余校验的错误检测机制和消息自动重传功能，因其强大的错误处理能力，常被用于安全关键应用，如主动转向或重型工业机械控制。

1.2 FlexRay

FlexRay 是一种新的网络通信标准，为未来汽车应用提供高速串行通信、时间触发总线和容错通信。它支持时间触发方案和可选的事件触发方案，数据速率上限为 10 Mbps，并提供两个冗余通道。2000 年，由宝马、博世、戴姆勒 - 克莱斯勒和飞利浦成立的联盟为下一代汽车开发了 FlexRay，后来扩展到包括飞思卡尔半导体、博世、通用汽车和现代 - 起亚汽车等多个汽车和半导体行业成员。2006 年，FlexRay 协议首次应用于宝马 X5 系列的电子控制减震器。

1.3 MOST

MOST（面向媒体的系统传输）是汽车行业多媒体和信息娱乐网络的实际标准。该技术从底层设计，旨在提供一种高效且经济的架构，用于在连接到汽车恶劣环境的任何设备之间传输音频、视频、数据和控制信息。其同步特性使简单设备能够提供内容，其他设备以最少的硬件呈现该内容，同时为音频和视频服务传输提供独特的服务质量。虽然起源于汽车行业，但 MOST 也可用于其他领域，如其他交通应用、A/V 网络、安全和工业应用。MOST150 为汽车中的以太网实现提供物理层，带宽为 150 Mbps，除了其他等级 MOST 的三个既定通道（控制消息通道、流数据通道和分组数据通道）外，还集成了带宽可调的以太网通道，并且允许在同步通道上进行等时传输。

1.4 汽车网络可靠性

半导体芯片在汽车应用中采用了许多符合 ISO26262 的可靠性特性。例如，瑞萨通过为 ECU 提供锁步机制、为存储组件提供纠错码、为数据传输提供 CRC、使用看门狗定时器监控异常状态以及对逻辑/存储/模拟组件进行自检，支持符合 ISO26262 的功能安全活动。

2. 故障模型、测试模式生成和故障仿真

2.1 数字逻辑电路中的故障模型

• 固定故障 ：信号或门输出固定为 0 或 1 值，与电路输入无关。
• 桥接故障 ：两个不应连接的信号连接在一起，根据所采用的逻辑电路，可能导致线或或线与逻辑功能。由于潜在的桥接故障数量为 O(n²)，通常将其限制在设计中物理相邻的信号上。
• 开路故障 ：假设导线断裂，一个或多个输入与应驱动它们的输出断开连接，结果行为取决于电路实现。
• 延迟故障模型 ：信号最终达到正确值，但比正常情况慢（或很少情况下更快）。
• 间歇性故障 ：设备或系统在正常运行的其他时间间隔内出现故障，通常是不规则的。
• 软错误 ：芯片材料中的放射性原子衰变并向芯片释放α粒子时发生，α粒子的正电荷和动能可使存储单元改变状态，但不会损坏芯片的实际结构。
• 老化故障 ：例如负偏置温度不稳定性（NBTI）引起的电路老化效应会影响电路在其生命周期内的时序，导致一些在硅前估计中预计不会失效的路径在制造后可能失效。

2.2 故障覆盖率

故障覆盖率指在任何工程系统测试期间能够检测到的某种类型故障的百分比。高故障覆盖率在制造测试期间尤为重要，可使用设计测试（DFT）和自动测试模式生成等技术来提高。在电子领域，固定故障覆盖率通过将硬件模型的每个引脚分别固定为逻辑“0”和逻辑“1”，并运行测试向量来测量。如果至少有一个输出与预期不同，则认为该故障被检测到。理论上，仿真运行的总数是引脚数量的两倍，但有许多优化方法可减少所需的计算量。

2.3 自动测试模式生成基础

自动测试模式生成（ATPG）过程针对目标故障包括故障激活和故障传播两个阶段。故障激活在故障模型位置建立与故障模型产生的值相反的信号值，故障传播通过使从故障位置到主输出的路径敏感，将产生的信号值或故障效应向前传递。ATPG 可能在两种情况下无法找到特定故障的测试：一是故障本质上不可检测，如冗余电路中任何单个故障都不会导致输出改变；二是可能存在测试模式，但算法无法找到，因为 ATPG 问题是 NP 完全问题，某些情况下找到模式需要极长的时间。

2.4 故障仿真

故障仿真器模拟电路中的目标故障，以确定给定测试向量集能检测到哪些故障。由于故障检测分析需要模拟大量故障，故障仿真时间比设计验证所需时间长得多。为加速故障仿真过程，开发了以下改进方法：
- 并行故障仿真 ：利用数字计算机中逻辑操作的位并行性，对于 32 位机器，可同时模拟 31 个故障。
- 演绎故障仿真 ：在一次真值仿真中，结合演绎过程从无故障电路值和电路结构推导出每个故障电路中的所有信号值。
- 并发故障仿真 ：本质上是一种事件驱动仿真，以最有效的方式模拟电路中的故障。
- 硬件故障仿真加速器 ：基于并行处理，比纯软件故障仿真器有显著的速度提升。

3. 可测试性设计技术

3.1 传统测试问题

组合逻辑的可测试性随组合逻辑级别增加而降低，顺序电路的良好可测试性更难实现。由于存在许多内部状态，将顺序电路设置到所需内部状态可能需要大量输入事件，从主输出识别顺序电路的确切内部状态可能需要很长的检查实验。

3.2 结构化可测试性设计

最初提出了许多临时技术来提高可测试性，但这些技术依赖于对电路进行局部修改，效果局部且不系统，难以预测实施所需时间。结构化可测试性设计方法允许工程师遵循有条理的过程来提高设计的可测试性，可轻松融入设计流程并预算成本，能产生预期结果，且更易于自动化。目前，电子设计自动化（EDA）供应商已能提供复杂的 DFT 工具来简化和加速 DFT 任务。扫描设计是提高可测试性最有效的结构化 DFT 方法之一，不仅能实现目标故障覆盖率，还使扫描设计中的 DFT 实施更易于管理。

3.3 扫描设计

扫描设计通过提高顺序设计中存储元件的可控性和可观测性来改善电路的可测试性。通常将顺序设计转换为具有三种操作模式的扫描设计：正常模式、移位模式和捕获模式。在正常模式下，所有测试信号关闭，扫描设计以功能配置运行；在移位和捕获模式下，测试模式信号 TM 用于开启所有必要的测试相关修复，以简化测试、调试和诊断任务，提高故障覆盖率并确保被测电路的安全运行。

扫描设计的工作原理可通过一个包含组合逻辑和三个 D 触发器的顺序电路来说明。假设组合逻辑中的一个固定故障 f 需要将主输入 X3、触发器 FF2 和 FF3 分别设置为 0、1 和 0，以将故障效应捕获到 FF1 中。由于 FF2 和 FF3 中的值不能直接从主输入控制，可能需要一系列长操作来设置它们的值，并且观察 FF1 中捕获值的故障效应可能需要很长的检查实验。扫描设计通过将选定的存储元件转换为扫描单元并将它们连接成一个或多个移位寄存器（称为扫描链），提供对内部存储元件的外部访问，从而简化了测试过程。

3.4 内置自测试

随着半导体制造技术的发展，超大规模集成电路（VLSI）电路在生产和使用过程中面临各种测试挑战。传统使用自动测试模式生成（ATPG）软件针对数字电路单个故障的测试技术变得昂贵，且无法为深亚微米或纳米级设计从芯片级到板级和系统级提供足够高的故障覆盖率。一种解决方法是在设计阶段将内置自测试（BIST）功能集成到数字电路中。

逻辑 BIST 技术将生成测试模式和分析功能电路输出响应的电路嵌入芯片或同一板上的其他位置。测试随机逻辑的 BIST 技术分为两类：在线 BIST 和离线 BIST。

• 在线 BIST ：在功能电路正常运行模式下执行，可分为并发和非并发两种。并发在线 BIST 在正常功能操作期间同时进行测试，功能电路通常采用编码技术或复制和比较实现，检测到间歇性或瞬态错误时，系统会立即纠正错误、回滚到先前存储的系统状态并重复操作，或为重复故障生成中断信号。非并发在线 BIST 在功能电路空闲模式下执行，测试过程可随时中断以恢复正常操作。
• 离线 BIST ：在功能电路非正常模式下执行，不检测实时错误，但广泛用于行业中对系统、板级或芯片级的功能电路进行测试，以确保产品质量。功能离线 BIST 根据功能电路的功能规范进行测试，通常采用功能或高级故障模型，一般以诊断软件或固件形式实现。结构离线 BIST 根据功能电路的结构进行测试，分为外部 BIST 和内部 BIST 两类。外部 BIST 中，测试模式生成和输出响应分析由与被测功能电路分离的电路完成；内部 BIST 中，功能存储元件转换为测试模式生成器和输出响应分析器。

以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示了扫描设计的基本流程：

graph LR
    A[正常模式] --> B{测试模式信号 TM}
    B -- 开启 --> C[移位模式]
    B -- 开启 --> D[捕获模式]
    C --> E[移位输入测试激励]
    D --> F[捕获故障效应]
    F --> G[移位输出测试响应]

技术名称	特点	应用场景
CAN	高智能、容错、可靠性高，支持分布式实时控制	汽车行业、安全关键应用
FlexRay	高速、时间触发、容错，数据速率上限 10 Mbps	下一代汽车电子系统
MOST	同步特性，适用于多媒体和信息娱乐网络	汽车多媒体、其他交通和工业领域
扫描设计	提高存储元件可控性和可观测性	数字电路测试
BIST	集成测试功能，降低测试成本	VLSI 电路测试

4. 扫描设计的深入剖析

4.1 扫描设计的具体实现

扫描设计的核心在于将选定的存储元件转换为扫描单元并构建扫描链。以常见的三种扫描单元设计为例：
- Muxed - D 扫描 ：其内部结构通过多路选择器来实现不同模式下的数据选择。在正常/捕获模式，数据输入被选中用于更新输出；在移位模式，扫描输入被选中更新输出。
- Clocked - scan ：利用时钟信号来控制扫描单元的工作模式转换，在不同的时钟状态下实现正常操作和扫描操作的切换。
- Level - sensitive scan design (LSSD) ：基于电平敏感的特性，在不同的电平状态下完成存储元件的正常功能和扫描功能。

4.2 扫描设计的优势体现

扫描设计有效解决了顺序电路测试的难题。在传统顺序电路测试中，由于内部状态众多，控制和观察内部状态困难。而扫描设计通过扫描链，使得测试激励和响应能够方便地进出存储元件。例如，对于前面提到的包含组合逻辑和三个 D 触发器的顺序电路，原本设置触发器值和观察故障效应需要复杂的操作，采用扫描设计后，只需在移位模式下将所需的测试激励移入扫描链，在捕获模式下捕获故障效应，再在移位模式下将测试响应移出进行比较，大大简化了测试流程，降低了测试复杂度。

4.3 扫描设计的局限性与挑战

尽管扫描设计有诸多优点，但也存在一定局限性。扫描链的长度增加会导致测试时间变长，因为测试激励和响应的移位操作需要与扫描链长度成正比的时钟周期。此外，扫描单元的插入会增加电路面积和功耗，对芯片的物理设计和电源管理带来挑战。同时，扫描设计对于某些复杂的故障模型，如一些涉及多个元件相互作用的故障，检测能力可能有限。

5. 内置自测试（BIST）的详细探讨

5.1 在线 BIST 的工作机制

并发在线 BIST

并发在线 BIST 在功能电路正常运行时同时进行测试。功能电路常采用编码技术或复制和比较的方式。例如，采用编码技术时，对数据进行特定编码，在正常操作过程中同时检查编码的正确性，一旦检测到错误，系统会立即采取行动。如检测到间歇性或瞬态错误，系统会纠正错误，回滚到之前存储的系统状态并重复操作；若出现重复故障，会生成中断信号通知系统进行处理。

非并发在线 BIST

非并发在线 BIST 在功能电路空闲时执行测试。其优点是不影响功能电路的正常运行，测试过程可随时中断以恢复正常操作。这种方式适用于对实时性要求较高的系统，在系统空闲间隙进行测试，确保系统的可靠性。

5.2 离线 BIST 的分类与应用

功能离线 BIST

功能离线 BIST 根据功能电路的功能规范进行测试，采用功能或高级故障模型。通常以诊断软件或固件的形式实现。例如，对于一个具有特定功能的芯片，功能离线 BIST 会按照其功能规范设计测试用例，检查芯片在各种功能场景下的运行情况，以确保芯片的功能正确性。

结构离线 BIST

结构离线 BIST 基于功能电路的结构进行测试，分为外部 BIST 和内部 BIST。外部 BIST 中，测试模式生成和输出响应分析由与被测功能电路分离的电路完成，适用于对多个电路进行集中测试的场景。内部 BIST 则将功能存储元件转换为测试模式生成器和输出响应分析器，减少了外部测试电路的依赖，提高了测试的自主性。

5.3 BIST 的发展趋势

随着半导体技术的不断发展，BIST 技术也在不断演进。未来，BIST 技术将更加注重提高测试效率和故障覆盖率，同时降低测试成本和功耗。例如，采用更先进的测试模式生成算法，能够生成更有效的测试模式，提高对各种故障的检测能力。此外，BIST 技术将与其他设计技术相结合，如低功耗设计、可靠性设计等，以满足日益复杂的芯片设计需求。

6. 汽车电子系统测试技术的综合应用

6.1 不同测试技术的协同作用

在汽车电子系统中，CAN、FlexRay、MOST 等网络技术与各种故障模型、测试模式生成、故障仿真以及可测试性设计技术相互配合。例如，CAN 总线用于汽车电子设备之间的数据交换，在其运行过程中，可能会出现各种故障，如固定故障、桥接故障等。此时，利用故障模型对这些故障进行描述，通过自动测试模式生成（ATPG）生成相应的测试模式，再使用故障仿真技术验证测试模式的有效性。同时，扫描设计和内置自测试（BIST）技术可以提高 CAN 总线相关电路的可测试性，确保系统的可靠性。

6.2 测试技术在汽车安全中的重要性

汽车电子系统的安全性至关重要，任何故障都可能导致严重的后果。因此，准确检测和诊断故障对于保障汽车安全运行至关重要。通过高故障覆盖率的测试技术，能够及时发现潜在的故障，避免故障在实际运行中引发安全事故。例如，在汽车的主动转向系统中，采用 CAN 总线进行数据传输和控制，利用各种测试技术确保 CAN 总线的可靠性，从而保障主动转向系统的正常运行，提高汽车的安全性。

6.3 未来汽车电子系统测试技术的发展方向

未来，汽车电子系统将更加复杂，集成度更高，对测试技术提出了更高的要求。测试技术将朝着智能化、自动化和高效化的方向发展。例如，利用人工智能和机器学习算法优化测试模式生成，提高故障检测的准确性和效率。同时，测试技术将更加注重对实时性和可靠性的保障，以适应汽车电子系统不断增长的性能需求。

以下是一个 mermaid 流程图，展示了汽车电子系统测试的整体流程：

graph LR
    A[汽车电子系统] --> B[故障模型描述]
    B --> C[自动测试模式生成（ATPG）]
    C --> D[故障仿真]
    D --> E{测试结果判断}
    E -- 有故障 --> F[扫描设计/内置自测试（BIST）]
    F --> G[故障修复]
    G --> A
    E -- 无故障 --> H[正常运行]

测试技术	优点	缺点	适用场景
扫描设计	简化测试流程，降低测试复杂度	增加测试时间、面积和功耗	顺序电路测试
在线 BIST	实时检测故障，不影响正常运行	对电路设计要求高	实时性要求高的系统
离线 BIST	测试全面，确保产品质量	不能检测实时错误	系统、板级或芯片级测试

综上所述，汽车电子系统的网络、故障及测试技术是一个复杂而重要的领域。深入理解和应用这些技术，对于提高汽车电子系统的可靠性、安全性和性能具有重要意义。随着汽车技术的不断发展，这些测试技术也将不断创新和完善，为汽车产业的发展提供有力支持。