Giải mã bí quyết kiểm thử ô tô kết nối

Bà Hwee-Yng Yeo, Giám đốc Marketing Giải pháp Công nghiệp cho Ô tô và Năng lượng, Keysight Technologies, chia sẻ xung quanh vấn đề xác thực thiết kế và kiểm thử chức năng cho ô tô kết nối mạng.

Theo kết quả nghiên cứu, quy mô thị trường thiết bị bán dẫn dùng trong ô tô đã tăng lên tới gần 42 tỷ USD vào năm 2018, và có khả năng lên đến 65,5 tỷ USD vào năm 2025, trong khi hàm lượng thiết bị bán dẫn trong mỗi chiếc xe ước tính sẽ tăng gấp đôi từ 312 USD vào năm 2013 lên đến 652 USD vào năm 2025.

Các nhà sản xuất chip đã tham gia sản xuất bộ cảm biến ô tô, chip không dây và quản lý năng lượng cho chiếc xe được kết nối. Chiếc xe giờ đây được trang bị đầy đủ các thiết bị điện tử để vận hành các tính năng an toàn và tiện ích trên xe, và tương tác với môi trường xung quanh cho các ứng dụng kết nối ô tô với vạn vật (V2X).

Lộ trình phát triển lái xe tự động hoàn toàn cho thấy xe ô tô hiện đại đang ngày càng được trang bị các Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS), với kết nối không dây đảm bảo các kết nối V2X độ trễ thấp, rất cần cho các chức năng an toàn thiết yếu.

Các công nghệ kết nối ô tô với vạn vật qua mạng di động (C-V2X) là một trong những phân khúc thị trường phát triển nhanh nhất, nhưng sẽ là không thực tế nếu muốn tiến hành chạy thử một chiếc xe đang trong giai đoạn phát triển ban đầu để đo lường phản ứng của nó với các phương tiện khác, khách bộ hành, và GPS. Các nhà sản xuất ô tô cũng không còn căn cứ vào kết quả chạy thử ở giai đoạn cuối để đảm bảo rằng các hệ thống an toàn V2X được tích hợp trong xe sẽ hoạt động trơn tru trên đường.

Những công nghệ này đặt ra các thách thức mới về xác thực thiết kế và kiểm thử chức năng. Thậm chí ngay từ giai đoạn đầu phát triển chip, mục tiêu của nhà thiết kế ô tô là đảm bảo hiệu năng tối ưu khi chiếc xe chính thức vân hành trên đường.

Để đảm bảo hiệu năng và an toàn, các nhà phát triển phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn và giao thức truyền thông hiện tại, đồng thời thu hẹp khoảng cách giữa các công nghệ hiện tại và công nghệ mới, chẳng hạn như chuyển đổi từ LTE sang 5G.

Các nhà phát triển cần phải xử lý độ phức tạp của kiểm thử ngày càng tăng đối với kết nối không dây (xem Hình 1).

Độ phức tạp của kiểm thử với các hệ thống giả lập

Vì mức độ phức tạp của kiểm thử tăng lên khi kết nối mở rộng, các hệ thống giả lập ngày càng trở nên quan trọng trong việc giúp các kỹ sư xác thực thiết kế, xác nhận hiệu năng và xác định các vấn đề tiềm ẩn ngay từ giai đoạn đầu.

Các bộ giả lập (emulator) có thể bắt chước hành vi của một linh kiện hoặc một hệ thống. Trong khi việc mô phỏng (simulation) tạo ra một môi trường tổng hợp giúp kiểm thử hiệu suất chip ở tất cả các trạng thái, thì việc giả lập (emulation) sử dụng phần cứng để mô phỏng hiệu suất của chip ở tốc độ gần thời gian thực. Phần cứng cho phép nhà thiết kế đẩy nhanh quá trình này, cao hơn và tốt hơn năng lực của phần mềm mô phỏng truyền thống.

Do đó, một emulator có thể bắt chước giống hệt hành vi của một hệ thống. Bộ giả lập thiết bị trò chơi là ví dụ điển hình, vì chúng có thể mô phỏng thiết bị trò chơi cũ hoặc đã hỏng và cho phép người hâm mộ chơi những trò đó trên thiết bị hiện đại. Các ví dụ khác là các máy tính Macintosh cổ đời đầu mà người hâm mộ có thể giả lập trên các nền tảng Mac OS, Windows và Linux.

Trước đây, công nghệ giả lập rất tốn kém và cồng kềnh, tốn thời gian thiết lập trước khi kiểm thử có thể bắt đầu. Nhưng những cải tiến về sức mạnh phần cứng và những tiến bộ về năng lực phần mềm gần đây cho phép các kỹ sư nhanh chóng điều chỉnh các tham số kiểm thử để giả lập các kịch bản thử nghiệm khác nhau.

Ví dụ, trong trường hợp chiếc xe được kết nối, các kỹ sư sử dụng bộ emulator để thiết kế và kiểm thử các ứng dụng 5G và OTA dùng trong các hệ thống ADAS và các tính năng lái tự động.

Thiết kế và phát triển chip ô tô nhanh hơn, linh hoạt hơn

Việc sử dụng các bộ emulator trong xác nhận thiết kế chip đã tăng đáng kể trong 10 năm qua, khi các kỹ sư áp dụng các bộ emulator trong quy trình tự động hóa thiết kế điện tử của họ.

Các nhà sản xuất IC (mạch tích hợp) cho ô tô phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn khác nhau, ví dụ như tiêu chuẩn ISO 26262 về an toàn chức năng. Việc kiểm thử theo tiêu chuẩn này sẽ bao gồm các lỗi hệ thống, lặp lại và các lỗi môi trường ngẫu nhiên, ví dụ như các lỗi do nhiệt và rung gây ra.

Khi các thiết kế hệ thống trên chip (SoC) với phần mềm nhúng trở nên phổ biến, thì phương pháp giả lập để xác nhận chip cũng được sử dụng nhiều hơn. Các hệ thống giả lập ngày càng đa năng và chi phí phải chăng hơn, nhờ đó các hệ thống này được sử dụng ngày càng nhiều và trở thành một phần của chiến lược thiết kế và kiểm thử.

Giả lập C-V2X cho ô tô được kết nối

Nhờ sử dụng giả lập để xác nhận thiết kế và chức năng của các hệ thống C-V2X, hoạt động thực tế của các phần tử trong các cấu hình C-V2X phức tạp có thể được mô phỏng ngay trong giai đoạn phát triển. Những hoạt động này bao gồm thử nghiệm các kịch bản truyền thông bằng cách mô phỏng các bộ phận trên xe (OBU), các bộ phận bên đường (RSU) và các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS).

Một ưu điểm nữa là các nhà phát triển có thể điều chỉnh trên cùng một giải pháp giả lập để kiểm thử sản phẩm cho các thị trường khác nhau, với các giao thức và tiêu chuẩn truyền thông C-V2X của riêng từng thị trường (xem Bảng 1).

Một ví dụ nữa về bộ emulator là trong kiểm thử hệ thống gọi khẩn cấp (e-Call) của xe. Các kỹ sư sử dụng thiết bị để bàn để giả lập các linh kiện tạo nên môi trường thực trong các hệ thống đó: ô tô, hệ thống vệ tinh, mạng di động và đường dây nóng về an ninh công cộng. Các nhà thiết kế có thể kiểm thử khả năng phù hợp của hệ thống e-Call với các tiêu chuẩn và giao thức quốc gia khác nhau ngay tại phòng thí nghiệm.

Khi các nền tảng truyền thông dần chuyển từ LTE sang 5G, các nhà sản xuất ô tô cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn tuân thủ mới. Họ còn phải tăng tốc khi xe tự lái trở nên phổ biến hơn. Các kỹ sư của Keysight đã phát triển giải pháp giả lập mạng 5G bằng nền tảng kiểm thử tín hiệu UXM 5G của họ. Kho tài nguyên RF phong phú cho phép các kỹ sư tạo và kiểm thử truyền thông 5G, thiết lập phân tích và gỡ lỗi nhanh cho các thiết bị ô tô khác nhau đang được kiểm thử.

Giả lập lái thử để giảm chi phí sản phẩm mẫu

Ngành công nghiệp ô tô luôn bảo thủ đối với các phương pháp kiểm thử mới. Ưu tiên của các nhà sản xuất ô tô là loại bỏ các tình huống có thể đe dọa đến tính mạng hoặc các lỗi trong sản xuất, đồng thời tránh các vụ thu hồi tốn kém.

Tuy nhiên, sự tăng tốc đổi mới sáng tạo gần đây trong ngành đã tạo ra áp lực cho các nhà sản xuất tìm ra các phương pháp kiểm thử mới không chỉ hiệu quả về chi phí mà còn có phạm vi kiểm thử toàn diện.

Thiết kế và sản xuất các nguyên mẫu vật lý là những hạng mục tốn kém của quá trình phát triển sản phẩm. Nhờ sử dụng các emulator, thời gian của chu kỳ xác nhận và sửa lỗi có thể được rút ngắn, đồng thời chi phí tạo sản phẩm mẫu cũng giảm đáng kể. Do đó, các bộ emulator được sử dụng ngày càng nhiều cho lái thử, giảm chi phí đầu người trong xây dựng các bệ đỡ và giá lắp kiểm thử.

Các giải pháp như Virtual Drive Testing Toolset (Bộ công cụ lái thử ảo) của Keysight cho phép các nhà sản xuất đo và ghi lại các thông số, ví dụ thông số cài đặt mạng, cũng như việc gửi báo hiệu tới và nhận phản hồi từ mô-đun ô tô. Các nhà phát triển cũng có thể kiểm tra môi trường RF trong và xung quanh xe dựa trên các yếu tố khác nhau như lưu lượng giao thông, phản ứng từ các phương tiện khác, các công trình xây dựng, cây cối và tín hiệu vệ tinh.

Các kỹ sư có thể sử dụng dữ liệu thực địa để tạo môi trường kiểm thử ảo. Giả lập điều kiện mạng RF trong phòng thí nghiệm có thể giải quyết các vấn đề có thể phát sinh trong thực tế trong những giai đoạn đầu phát triển sản phẩm, như trong Hình 2.

Giả lập hiệu năng OTA

Khi sóng không dây tương tác với một vật thể, sóng sẽ bị tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ hoặc bị hấp thụ. Giả lập kênh không dây có thể tái tạo các tình huống này. Những điều kiện mạng RF được mô phỏng bao gồm: lan truyền đa tuyến, hiệu ứng Doppler, góc tín hiệu đi, góc tín hiệu đến và nhiễu/xuyên nhiễu, cũng như tất cả các điều kiện kênh điển hình giữa trạm phát sóng hoặc điểm truy cập tới cụm ăng ten của ô tô.

Vì các hệ thống 5G chắc chắn sẽ được triển khai, các nhà sản xuất ô tô và thiết bị không dây cần đảm bảo các hệ thống của họ tuân thủ các tiêu chuẩn như CTIA OTA Test Plan v3.8.1 và CTIA MIMO OTA Test Plan v1.2 trong các môi trường khác nhau. Việc sử dụng các phòng kiểm thử không tiếng vọng (không phản xạ âm thanh, không tiếng vọng) và giả lập cho phép mô phỏng các môi trường nông thôn, ngoại ô, thành thị và trong nhà ngay tại phòng thí nghiệm.

Khi các phương tiện ô tô của tương lai ngày càng được kết nối và thông minh hơn, rất có thể ô tô tự lái sẽ phải mô phỏng hàng triệu quy trình phụ trong một thời gian dài trước khi chạy thực tế. Trong thời gian đó, những hành vi thất thường của con người khiến gây ra tai nạn sẽ được phòng ngừa bằng cách giả lập, và được ngăn chặn bởi các quy trình xác nhận thiết kế và kiểm thử.