作者 | 謙益行
出品 | 汽車(chē)電子與軟件
曾經(jīng)從事軟件開(kāi)發(fā)工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)與HIL測(cè)試打交道，有使用過(guò)HIL臺(tái)架進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的測(cè)試驗(yàn)證，也有過(guò)輔助測(cè)試同事來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)試用例，以及驗(yàn)收HIL臺(tái)架的仿真模型等內(nèi)容。曾經(jīng)從事ECU系統(tǒng)工作時(shí)，有幸深度參與過(guò)HIL臺(tái)架的需求定義；曾經(jīng)也從事功能開(kāi)發(fā)工作時(shí)，也深度思考過(guò)如何利用HIL臺(tái)架更好地進(jìn)行功能的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。因此，本文打算就個(gè)人對(duì)HIL臺(tái)架的認(rèn)識(shí)和思考，稍作分享。
#01 為什么需要HIL臺(tái)架系統(tǒng)
首先第一個(gè)問(wèn)題，為什么需要HIL臺(tái)架系統(tǒng)？這是因?yàn)閺恼?chē)研發(fā)流程來(lái)看，不管是在整車(chē)的系統(tǒng)層級(jí)，或是ECU的系統(tǒng)層級(jí)，還是 ECU軟件層級(jí)，這些層級(jí)都有大量的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)內(nèi)容。開(kāi)發(fā)需要測(cè)試驗(yàn)證這是毫無(wú)疑問(wèn)的，關(guān)鍵點(diǎn)在于用什么樣的環(huán)境或設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。
這些測(cè)試驗(yàn)證工作不可能都使用整車(chē)來(lái)進(jìn)行，因?yàn)椋?/span>
- 一是需求的整車(chē)數(shù)量巨大，成本巨高，耗時(shí)巨長(zhǎng)；
- 二是開(kāi)發(fā)的不同步，不管是在哪個(gè)級(jí)別都無(wú)法完全協(xié)調(diào)一致。
因此，在這樣的事實(shí)之下，各個(gè)層級(jí)都需要明確自己的測(cè)試需求，進(jìn)而去構(gòu)建各自的測(cè)試環(huán)境，也就是HIL臺(tái)架系統(tǒng)。
Source：電子控制單元（ECU）HIL測(cè)試 | HIL仿真
以ECU的系統(tǒng)層級(jí)為例，其主體是ECU，一方面需要驗(yàn)證ECU與外界的信息交互功能，另一方需要驗(yàn)證自身的產(chǎn)品功能和性能。
因此在這個(gè)層級(jí)進(jìn)行ECU的系統(tǒng)測(cè)試，那么ECU應(yīng)該具備下列的一些條件，在信號(hào)輸入方面有：
- 供電方面，是指電源和接地GND，比如KL30，KL15和KL31；
- 感知方面，是指各種傳感器信號(hào)，比如溫度、壓力和速度等，具體取決于ECU的用途；另外信號(hào)涵蓋模擬信號(hào)形式，數(shù)字信號(hào)形式，頻率信號(hào)形式以及協(xié)議形式等；
- 通訊方面，主要有CAN通訊、LIN通訊、以太網(wǎng)通訊和SPI通訊等。
在信號(hào)輸出方面有：
- 通訊方面，通訊與輸入的通訊方面一樣；
- 執(zhí)行方面，主要指功率器件類(lèi)、電磁閥類(lèi)和電機(jī)類(lèi)的控制。
也就說(shuō)要進(jìn)行完整的ECU的系統(tǒng)測(cè)試，這些條件都應(yīng)該具備。而對(duì)于單獨(dú)的ECU而言，顯然很多信號(hào)的輸入和輸出都需要去構(gòu)建，因此HIL臺(tái)架系統(tǒng)的需求就應(yīng)運(yùn)而生。
#02 如何定義HIL臺(tái)架系統(tǒng)
我們需要HIL臺(tái)架系統(tǒng)做什么，決定了我們?nèi)绾稳ザx。不同層級(jí)對(duì)于HIL臺(tái)架系統(tǒng)的需求可能有所差異，但是在HIL臺(tái)架系統(tǒng)所具備的硬件配置是基本一致的。2.1 硬件能力
首先是根據(jù)ECU的Pin腳定義情況，確定HIL臺(tái)架的輸入和輸出能力，包括：
- 電源方面，HIL臺(tái)架系統(tǒng)需要提供足夠的電壓或功率能力，電壓范圍多少，功率范圍多少，載流能力多大。
- 輸入方面，HIL臺(tái)架系統(tǒng)需要提供足夠的輸入通道。比如模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和頻率信號(hào)的輸入通道數(shù)量分別是多少，電壓范圍是多少，頻率范圍是多少等；對(duì)于輸出方面也類(lèi)似。
- 通訊方面，HIL臺(tái)架系統(tǒng)需要提供足夠的通訊類(lèi)型和通道，比如：
- 需要具備多少路CAN/CAN FD通道，多少路LIN通道，多少路以太網(wǎng)通道；
- 需要支持SENT協(xié)議，SPI協(xié)議或AK協(xié)議等。
然后是根據(jù)故障診斷需求，需要提供足夠的故障注入的類(lèi)型和通道，以支持診斷的需求。
最后可能還包括提供一些負(fù)載的模擬或者替代等。
2.2 軟件能力
HIL臺(tái)架系統(tǒng)的軟件能力，主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是HIL臺(tái)架系統(tǒng)本身的軟件能力，另一個(gè)是HIL臺(tái)架系統(tǒng)所能提供的ECU軟件仿真能力。關(guān)于HIL臺(tái)架系統(tǒng)本身的軟件能力，借助dspace產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，主要包括以下幾個(gè)方面：
- 對(duì)上述所提供的硬件能力，需要有相應(yīng)的軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)硬件的配置，像ConfigurationDesk能提供較好的圖形化配置。
- 需要提供測(cè)試用例的編寫(xiě)和測(cè)試自動(dòng)化的軟件，像AutomationDesk可以使用戶能以圖形格式創(chuàng)建和編輯測(cè)試程序，無(wú)需具備編程技能。
- 需要提供豐富HIL測(cè)試狀態(tài)和進(jìn)度的可視化，像ControlDesk用于開(kāi)發(fā)ECU的通用模塊化實(shí)驗(yàn)和儀表軟件，讓測(cè)試人員更容易接收到測(cè)試的信息和狀態(tài)。
- 需要HIL測(cè)試的數(shù)據(jù)管理與協(xié)作軟件，像SYNECT提供了從需求到測(cè)試結(jié)果的完全可追溯性，與ALM工具和過(guò)程集成，以彌補(bǔ)與實(shí)際測(cè)試執(zhí)行之間的差距，這樣便于軟件測(cè)試的管理，也優(yōu)化HIL利用率。
Source：電子控制單元（ECU）HIL測(cè)試 | HIL仿真
關(guān)于HIL臺(tái)架系統(tǒng)所能提供的ECU軟件仿真能力，主要指ECU控制的Plant（物理）模型。對(duì)于Plant模型主要取決于ECU控制的是什么，MCU對(duì)應(yīng)電機(jī)模型，動(dòng)力總成域控制器對(duì)應(yīng)整車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型。相對(duì)于供應(yīng)商，OEM對(duì)于HIL測(cè)試系統(tǒng)的需求更多在于驗(yàn)證應(yīng)用層軟件的功能和性能，這樣就需要依托強(qiáng)大的物理模型進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，即需要HIL測(cè)試系統(tǒng)提供強(qiáng)大的建模能力，比如針對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的HIL臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)，物理模型可能就包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型，變速箱模型和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型等。
source: Top Level of Vehicle Plant Model | Download Scientific Diagram
以上就是關(guān)于HIL臺(tái)架系統(tǒng)的主要需求，目前國(guó)內(nèi)HIL臺(tái)架系統(tǒng)的主流解決方案來(lái)自幾個(gè)平臺(tái)：dSPACE平臺(tái)， NI平臺(tái)，Vector平臺(tái)和Mathworks平臺(tái)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些平臺(tái)都具有各自的優(yōu)勢(shì)，有的成本低，有的易于維護(hù)，有的便于擴(kuò)展。對(duì)于如何選擇這些平臺(tái)，最終還是看自己的需求。這些平臺(tái)基本都能保證功能實(shí)現(xiàn)，主要看自己的會(huì)偏向于哪個(gè)特性。
#03 如何驗(yàn)收HIL臺(tái)架系統(tǒng)
當(dāng)定義好了HIL臺(tái)架系統(tǒng)，接下來(lái)就是供應(yīng)商去設(shè)計(jì)和制造，然后需求方再進(jìn)行驗(yàn)收工作。
- HIL臺(tái)架系統(tǒng)的硬件能力，這些是供應(yīng)商必須實(shí)現(xiàn)的，通常都沒(méi)啥問(wèn)題。
- HIL臺(tái)架系統(tǒng)的軟件能力，這些需求通常不夠清晰，邊界不夠精準(zhǔn)，因此是驗(yàn)收重點(diǎn)。
曾經(jīng)碰到過(guò)動(dòng)力總成的Plant模型問(wèn)題，雖然經(jīng)歷過(guò)多次的技術(shù)溝通，但最終給出還是相對(duì)折衷的交付物。其原因是軟件或模型這塊屬于定制化需求，我理解的并不一定是你所理解的，此時(shí)供應(yīng)商的技術(shù)人員就特別重要，一方面是否對(duì)方是否真正理解了你的需求，另一方面是對(duì)方是否具備足夠的能力去實(shí)現(xiàn)你的需求。 這里舉一個(gè)例子，假設(shè)要求HIL的電機(jī)模型支持轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制，如果只是簡(jiǎn)單這樣一條需求，那么實(shí)現(xiàn)方案是存在多種可能性，比如：
- 最簡(jiǎn)單的話，直接做轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩層面的PI控制就行。
- 稍微復(fù)雜的話，采用電機(jī)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。
- 再?gòu)?fù)雜的話，建立電機(jī)控制及其本體模型，能反饋電機(jī)的電流電壓等參數(shù)狀態(tài)。
這樣我們不難理解，隨著需求的詳細(xì)程度和復(fù)雜成不同，對(duì)HIL臺(tái)架系統(tǒng)軟件能力將會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。因此，對(duì)于這塊的需求最好事先調(diào)研清楚，十分清晰自己的需求。#04 如何使用HIL臺(tái)架系統(tǒng)
當(dāng)HIL臺(tái)架系統(tǒng)有了之后，那么接下來(lái)的關(guān)鍵點(diǎn)在于使用HIL臺(tái)架系統(tǒng)的測(cè)試人員，對(duì)于HIL測(cè)試人員有以下幾個(gè)核心要點(diǎn)：
- 臺(tái)架搭建，包括HIL硬件本體和外圍相關(guān)硬件配置的使用和連接，以及HIL軟件測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建和配置等。
- HIL測(cè)試，包括信號(hào)的模擬和仿真，測(cè)試用例的編寫(xiě)、運(yùn)行、評(píng)估和管理，測(cè)試問(wèn)題的分析和解決，以及測(cè)試場(chǎng)景的構(gòu)建操作等。
- 功能/軟件開(kāi)發(fā)，主要與功能相關(guān)的控制策略和物理模型開(kāi)發(fā)。
對(duì)于以上這幾點(diǎn)，前兩點(diǎn)是HIL測(cè)試人員必須具備的技能，第三點(diǎn)會(huì)隨HIL臺(tái)架系統(tǒng)所使用的需求層級(jí)而變化，就下圖所示的一個(gè)HIL測(cè)試工程師的招聘崗位職責(zé)：
而對(duì)于供應(yīng)商的ECU系統(tǒng)層級(jí)，使用HIL臺(tái)架系統(tǒng)主要進(jìn)行兩大方面的測(cè)試驗(yàn)證給工作，包括：
- ECU與外界環(huán)境的信息交互驗(yàn)證，比如與其他ECU的通訊，傳感器信號(hào)的采集和外部執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)等。
- ECU自身產(chǎn)品功能和性能的驗(yàn)證，比如正常情況下，電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，整車(chē)控制器的上下電管理，扭矩控制等，或者非正常情況下，故障的診斷及處理等。
總之，ECU系統(tǒng)層級(jí)的HIL測(cè)試涵蓋了ECU硬件和軟件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，通常在汽車(chē)研發(fā)體系中還有ECU軟件層級(jí)的HIL測(cè)試，相對(duì)于ECU系統(tǒng)層級(jí)是針對(duì)ECU系統(tǒng)需求的驗(yàn)證，ECU軟件層級(jí)的HIL測(cè)試是驗(yàn)證ECU軟件需求及詳細(xì)設(shè)計(jì)。
如下示意一種BMS狀態(tài)機(jī)，當(dāng)對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行HIL測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)了某一步的狀態(tài)異常跳轉(zhuǎn)，雖然從控制整體狀態(tài)上沒(méi)啥影響，ECU系統(tǒng)層級(jí)的HIL測(cè)試可以不關(guān)注這個(gè)點(diǎn)，但是從ECU軟件層級(jí)的HIL測(cè)試角度，這種情況則不能出現(xiàn)，因?yàn)椴环宪浖枨蠡蜍浖脑敿?xì)設(shè)計(jì)，因此需要對(duì)此問(wèn)題分析和修復(fù)。
#05 小 結(jié)
以上就是針對(duì)HIL臺(tái)架系統(tǒng)的一些個(gè)人認(rèn)識(shí)，歸納起來(lái)就是：- 汽車(chē)研發(fā)過(guò)程有大量針對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的測(cè)試驗(yàn)證工作，從成本和效率等考慮，對(duì)HIL臺(tái)架系統(tǒng)有很強(qiáng)的需求。
- 對(duì)于到底怎樣的HIL臺(tái)架系統(tǒng)，取決于需要用HIL臺(tái)架來(lái)做什么，以及要做到什么程度，進(jìn)而也決定了需要怎樣的HIL測(cè)試人員。
- 對(duì)于HIL臺(tái)架系統(tǒng)的使用，掌握怎么搭建臺(tái)架系統(tǒng)，以及如何進(jìn)行HIL測(cè)試，這是必需的工作技能，而對(duì)于功能或模型開(kāi)發(fā)的掌握程度，取決于使用HIL臺(tái)架系統(tǒng)進(jìn)行何種層級(jí)的HIL測(cè)試。
