硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試系統(tǒng)介紹

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(cè)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(cè)試是不切實(shí)際的。而借助HIL仿真，就可以對(duì)系統(tǒng)中具有挑戰(zhàn)性的部分進(jìn)行仿真。在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，可先在虛擬環(huán)境中對(duì)嵌入式控制設(shè)備進(jìn)行全面測(cè)試，這樣即使所測(cè)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(shí)間要求。HIL測(cè)試系統(tǒng)的組成HIL測(cè)試系統(tǒng)由以下主要組件組成：實(shí)時(shí)處理器、I/O接口、操作界面和被測(cè)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(shí)處理器是HIL測(cè)試系統(tǒng)的核心。它負(fù)責(zé)HIL測(cè)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(lì)生成和模型執(zhí)行等。實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常用于精確仿真系統(tǒng)中無(wú)法進(jìn)行實(shí)體測(cè)試的部分。I/O接口是指與待測(cè)設(shè)備交互的模擬、數(shù)字和總線信號(hào)，可用于生成激勵(lì)信號(hào)，采集數(shù)據(jù)以便進(jìn)行記錄和分析，并提供受測(cè)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(hào)的模擬和生成。操作界面通過(guò)與實(shí)時(shí)處理器通信來(lái)提供測(cè)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(cè)試自動(dòng)化、分析和生成任務(wù)報(bào)表。被測(cè)控制單元-ECU是被測(cè)試的嵌入式控制器，通過(guò)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(cè)ECU中，通過(guò)嵌入式內(nèi)部邏輯處理后將輸出處理后的控制信號(hào)給執(zhí)行器。半實(shí)物執(zhí)行器是硬件在環(huán)的一種，在測(cè)試過(guò)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(gè)測(cè)試環(huán)境中，比如ESC控制器測(cè)試中，我們可以將整個(gè)壓力系統(tǒng)和制動(dòng)鉗等部件保留，同時(shí)在系統(tǒng)中使用真實(shí)的傳感器感知制動(dòng)踏板行程、制動(dòng)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(guò)兩種方式，一是基于半實(shí)物臺(tái)架采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，二是通過(guò)仿真模型或者板卡生成，比如上述中制動(dòng)主缸壓力大小，是通過(guò)真實(shí)的傳感器來(lái)獲得，同時(shí)通過(guò)相關(guān)板卡模擬磁電式或者霍爾式輪速傳感器，對(duì)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?cè)诘膫鞲衅魇峭ㄟ^(guò)車輛動(dòng)力學(xué)模型獲得。而在智能駕駛相關(guān)HIL臺(tái)架中，傳感器可以通過(guò)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(guò)ADASECU需求的協(xié)議輸出相關(guān)感知信息即可；同時(shí)ADASHIL也可以使用真實(shí)的傳感器，探測(cè)周圍環(huán)境，比如目前基于11V的智能駕駛方案，通過(guò)將仿真動(dòng)畫(huà)投在大屏中，使用真實(shí)視覺(jué)識(shí)別大屏中的環(huán)境，這種方式最常見(jiàn)的是單V的ADASHIL；也可以使用將仿真的環(huán)境直接通過(guò)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(gè)相關(guān)模塊是仿真模型，從智能駕駛的HIL臺(tái)架包含環(huán)境仿真模型、傳感器仿真模型、動(dòng)力學(xué)仿真模型、執(zhí)行器被控ECU模型等等。圖1.比較簡(jiǎn)單的HIL測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖(I/O通過(guò)電腦轉(zhuǎn)換)HIL測(cè)試用途硬件在環(huán)測(cè)試用于系統(tǒng)集成測(cè)試，系統(tǒng)層面功能邏輯測(cè)試及系統(tǒng)故障注入等。前兩方面大家請(qǐng)關(guān)注公眾號(hào)，后續(xù)單獨(dú)講一講系統(tǒng)集成測(cè)試和系統(tǒng)功能邏輯測(cè)試。硬件故障插入許多HIL測(cè)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(hào)故障，以便在故障條件下測(cè)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(cè)試系統(tǒng)在正常操作和故障條件（如對(duì)地短路或開(kāi)路）之間切換接口信號(hào)。隨著功能安全和預(yù)期功能安全在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中越來(lái)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(lái)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(cè)試中遇到的最大難題。而通過(guò)HIL測(cè)試，我們可以通過(guò)硬件板卡故障注入實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器、執(zhí)行器和控制器等相關(guān)故障信號(hào)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(lái)測(cè)試信號(hào)故障期間ECU的行為測(cè)試多ECU系統(tǒng)汽車、飛機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)等嵌入式控制系統(tǒng)使用了多個(gè)ECU，這些ECU通常相互連接來(lái)進(jìn)行協(xié)作。盡管這些ECU中每個(gè)ECU一開(kāi)始都可以單獨(dú)地進(jìn)行測(cè)試，但通常還需要借助系統(tǒng)的集成HIL測(cè)試系統(tǒng)（例如整車仿真器或鐵鳥(niǎo)仿真器）來(lái)提供更完整的虛擬測(cè)試。比如當(dāng)前ADAS控制系統(tǒng)的測(cè)試，會(huì)涉及到座艙、底盤(pán)的ESC\EPB\EPS、動(dòng)力系統(tǒng)的VCU\BMS\MCU等多個(gè)控制器，而對(duì)于L3及以上的ADS控制器會(huì)涉及到智能駕駛主從兩個(gè)控制器、同時(shí)在制動(dòng)和轉(zhuǎn)向都具備兩個(gè)控制器，那么安全且高效對(duì)多個(gè)控制器之間的邏輯驗(yàn)證是必須通過(guò)HIL測(cè)試來(lái)完成。圖3.汽車、飛機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)使用多個(gè)ECU更高的處理能力—分布式處理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(guò)單個(gè)機(jī)箱所能提供的能力。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，您可以使用分布式處理技術(shù)來(lái)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(guò)增加機(jī)箱來(lái)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(gè)任務(wù)來(lái)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(shí)信號(hào)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(shí)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(shí)。這些系統(tǒng)可能需要在ECU和HIL測(cè)試系統(tǒng)之間連接數(shù)百到數(shù)千個(gè)信號(hào)，通常需要跨越數(shù)米的距離來(lái)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(jiǎn)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(wú)需將所有連接通過(guò)I/O接口路由回包含一個(gè)或多個(gè)實(shí)時(shí)處理機(jī)箱的單個(gè)機(jī)架，而是可以使用確定性分布式I/O，在每個(gè)ECU附近提供模塊化I/O接口，而且不會(huì)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(lái)連接實(shí)時(shí)處理機(jī)箱，從而大大降低了HIL測(cè)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(cè)試系統(tǒng)可以輕松地從多ECU測(cè)試系統(tǒng)（其中只有一個(gè)真實(shí)的ECU，其余都是仿真的ECU）逐步擴(kuò)展為一個(gè)完整的系統(tǒng)集成HIL測(cè)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(cè)試系統(tǒng)為HIL測(cè)試系統(tǒng)選擇合適的架構(gòu)后，構(gòu)建HIL測(cè)試系統(tǒng)的第一步是選擇最符合開(kāi)發(fā)要求的組件。比如NI提供了實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試系統(tǒng)所需的各種實(shí)時(shí)處理和I/O選項(xiàng)。NIHIL平臺(tái)具有開(kāi)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)，NIHIL平臺(tái)可以輕松地進(jìn)行升級(jí)和功能擴(kuò)