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概覽 可以使用強(qiáng)大的硬件在環(huán)(HIL)仿真方法更高效地測試嵌入式控制系統(tǒng)。鑒于安全性、可用性或成本等因素，使用完整的嵌入式控制系統(tǒng)執(zhí)行所有必要的測試是不切實(shí)際的。而借助HIL仿真，就可以對系統(tǒng)中具有挑戰(zhàn)性的部分進(jìn)行仿真。在對整個系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試之前，可先在虛擬環(huán)境中對嵌入式控制設(shè)備進(jìn)行全面測試，這樣即使所測試的系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，也能以經(jīng)濟(jì)高效的方式保持高可靠性以及滿足產(chǎn)品上市時間要求。HIL測試系統(tǒng)由以下主要組件組成：實(shí)時處理器、I/O接口、操作界面和被測控制單元-ECU，甚至半實(shí)物執(zhí)行器、相關(guān)傳感器及相關(guān)仿真模型。實(shí)時處理器是HIL測試系統(tǒng)的核心。它負(fù)責(zé)HIL測試系統(tǒng)中大多數(shù)組件的確定性執(zhí)行，例如硬件I/O通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵生成和模型執(zhí)行等。實(shí)時系統(tǒng)通常用于精確仿真系統(tǒng)中無法進(jìn)行實(shí)體測試的部分。I/O接口是指與待測設(shè)備交互的模擬、數(shù)字和總線信號，可用于生成激勵信號，采集數(shù)據(jù)以便進(jìn)行記錄和分析，并提供受測電子控制單元(ECU)與模型所仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執(zhí)行器交互，比如用于故障信號的模擬和生成。操作界面通過與實(shí)時處理器通信來提供測試命令和實(shí)現(xiàn)可視化。通常，操作界面組件還負(fù)責(zé)配置管理、測試自動化、分析和生成任務(wù)報(bào)表。被測控制單元-ECU是被測試的嵌入式控制器，通過上述I/O將相關(guān)數(shù)據(jù)比如以CAN通信方式輸入到被測ECU中，通過嵌入式內(nèi)部邏輯處理后將輸出處理后的控制信號給執(zhí)行器。半實(shí)物執(zhí)行器是硬件在環(huán)的一種，在測試過程中我們?yōu)榱朔磻?yīng)真實(shí)的情況，被ECU控制的執(zhí)行器也在整個測試環(huán)境中，比如ESC控制器測試中，我們可以將整個壓力系統(tǒng)和制動鉗等部件保留，同時在系統(tǒng)中使用真實(shí)的傳感器感知制動踏板行程、制動踏板變化率、主缸壓力及輪崗壓力等，并將這些采集的數(shù)據(jù)給I/O通信板卡，然后轉(zhuǎn)到車輛仿真模型和ECU控制器中。傳感器模塊目前可以通過兩種方式，一是基于半實(shí)物臺架采集的實(shí)時數(shù)據(jù)，二是通過仿真模型或者板卡生成，比如上述中制動主缸壓力大小，是通過真實(shí)的傳感器來獲得，同時通過相關(guān)板卡模擬磁電式或者霍爾式輪速傳感器，對于車身質(zhì)態(tài)橫擺角速度、橫縱向加速度等車輛上真實(shí)純在的傳感器是通過車輛動力學(xué)模型獲得。而在智能駕駛相關(guān)HIL臺架中，傳感器可以通過仿真模擬，比如PreScan中可以模擬毫米波雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)和超聲波雷達(dá)等相關(guān)輸出信息，通過ADAS ECU需求的協(xié)議輸出相關(guān)感知信息即可；同時ADAS HIL也可以使用真實(shí)的傳感器，探測周圍環(huán)境，比如目前基于11V的智能駕駛方案，通過將仿真動畫投在大屏中，使用真實(shí)視覺識別大屏中的環(huán)境，這種方式最常見的是單V的ADAS HIL；也可以使用將仿真的環(huán)境直接通過輸出協(xié)議進(jìn)行視頻注入到控制器的傳感器接口中。另外一個相關(guān)模塊是仿真模型，從智能駕駛的HIL臺架包含環(huán)境仿真模型、傳感器仿真模型、動力學(xué)仿真模型、執(zhí)行器被控ECU模型等等。 圖1.比較簡單的HIL測試系統(tǒng)簡圖(I/O通過電腦轉(zhuǎn)換)
硬件在環(huán)測試用于系統(tǒng)集成測試，系統(tǒng)層面功能邏輯測試及系統(tǒng)故障注入等。前兩方面大家請關(guān)注公眾號，后續(xù)單獨(dú)講一講系統(tǒng)集成測試和系統(tǒng)功能邏輯測試。許多HIL測試系統(tǒng)使用硬件故障插入方法，在ECU和系統(tǒng)的其余部分之間生成信號故障，以便在故障條件下測試、分析或驗(yàn)證設(shè)備的行為。因此，可以在I/O接口和ECU之間插入故障插入單元(FIU)，讓HIL測試系統(tǒng)在正常操作和故障條件（如對地短路或開路）之間切換接口信號。隨著功能安全和預(yù)期功能安全在產(chǎn)品開發(fā)中越來越重視，基于系統(tǒng)層面的功能安全和預(yù)期功能安全的邏輯驗(yàn)證也越來越重要，而如何高效并且安全的驗(yàn)證，是當(dāng)前大家在實(shí)車測試中遇到的最大難題。而通過HIL測試，我們可以通過硬件板卡故障注入實(shí)現(xiàn)對傳感器、執(zhí)行器和控制器等相關(guān)故障信號的模擬，從而高效安全的驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)ECU。
圖2.可以使用硬件故障插入來測試信號故障期間ECU的行為汽車、飛機(jī)或風(fēng)電場等嵌入式控制系統(tǒng)使用了多個ECU，這些ECU通常相互連接來進(jìn)行協(xié)作。盡管這些ECU中每個ECU一開始都可以單獨(dú)地進(jìn)行測試，但通常還需要借助系統(tǒng)的集成HIL測試系統(tǒng)（例如整車仿真器或鐵鳥仿真器）來提供更完整的虛擬測試。比如當(dāng)前ADAS控制系統(tǒng)的測試，會涉及到座艙、底盤的ESC\EPB\EPS、動力系統(tǒng)的VCU\BMS\MCU等多個控制器，而對于L3及以上的ADS控制器會涉及到智能駕駛主從兩個控制器、同時在制動和轉(zhuǎn)向都具備兩個控制器，那么安全且高效對多個控制器之間的邏輯驗(yàn)證是必須通過HIL測試來完成。
圖3.汽車、飛機(jī)和風(fēng)電場使用多個ECU即使利用最新的多核處理能力，某些系統(tǒng)需要的處理能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單個機(jī)箱所能提供的能力。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，您可以使用分布式處理技術(shù)來滿足這些系統(tǒng)的性能要求。在超高通道數(shù)系統(tǒng)中，不僅需要更高的處理能力，還需要額外的I/O。相較而言，使用大型、處理器密集型模型的系統(tǒng)往往僅通過增加機(jī)箱來獲得更高的處理能力，使得這些處理器能夠繼續(xù)專用于某個任務(wù)來提高效率。根據(jù)仿真器任務(wù)的分配方式，可能需要在機(jī)箱之間提供共享觸發(fā)和定時信號以及確定性數(shù)據(jù)鏡像，從而在不同的任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)協(xié)作。
圖4.機(jī)箱之間提供定時和數(shù)據(jù)同步接口高通道數(shù)系統(tǒng)的布線及維護(hù)不僅昂貴，而且耗時。這些系統(tǒng)可能需要在ECU和HIL測試系統(tǒng)之間連接數(shù)百到數(shù)千個信號，通常需要跨越數(shù)米的距離來彌補(bǔ)空間不足的缺陷。幸運(yùn)的是，確定性分布式I/O技術(shù)可以幫助您簡化布線的復(fù)雜性，并提供與ECU的模塊化連接，從而實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)配置修改。您無需將所有連接通過I/O接口路由回包含一個或多個實(shí)時處理機(jī)箱的單個機(jī)架，而是可以使用確定性分布式I/O，在每個ECU附近提供模塊化I/O接口，而且不會影響精確仿真系統(tǒng)虛擬部分所需的高速確定性。這種方法可以實(shí)現(xiàn)ECU和I/O接口之間的本地連接（距離小于一米），只需使用一根總線來連接實(shí)時處理機(jī)箱，從而大大降低了HIL測試系統(tǒng)的布線成本和復(fù)雜性。此外，利用這種方法的模塊化特性，HIL測試系統(tǒng)可以輕松地從多ECU測試系統(tǒng)（其中只有一個真實(shí)的ECU，其余都是仿真的ECU）逐步擴(kuò)展為一個完整的系統(tǒng)集成HIL測試系統(tǒng)（所有ECU都是真實(shí)的，而非仿真的）。 圖5.ECU和I/O接口之間的本地連接
實(shí)現(xiàn)HIL測試系統(tǒng)為HIL測試系統(tǒng)選擇合適的架構(gòu)后，構(gòu)建HIL測試系統(tǒng)的第一步是選擇最符合開發(fā)要求的組件。比如NI提供了實(shí)現(xiàn)HIL測試系統(tǒng)所需的各種實(shí)時處理和I/O選項(xiàng)。NI HIL平臺具有開放性和可擴(kuò)展性，這意味著它可以適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)要求。由于采用模塊化架構(gòu)，NI HIL平臺可以輕松地進(jìn)行升級和功能擴(kuò)展，可以確保測試系統(tǒng)能夠適應(yīng)未來需求并滿足嚴(yán)苛的嵌入式軟件測試應(yīng)用要求。除了市場上提供的各種I/O外，NI還提供軟件工具，可以自動執(zhí)行HIL測試、后期處理和報(bào)表生成，并將測試結(jié)果與需求相匹配。這些工具可幫助您在軟件開發(fā)過程的早期階段執(zhí)行更廣泛的測試，從而降低總體開發(fā)成本，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。
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