HIL測(cè)試技術(shù)在汽車ECU開發(fā)流程中的應(yīng)用

HIL測(cè)試技術(shù)在汽車ECU開發(fā)流程中的應(yīng)用

1、V模式開發(fā)流程

V模式開發(fā)流程是現(xiàn)代最重要的開發(fā)方法，在這套開發(fā)流程中大量使用了計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（CACSD：Computer-Aided Control System Design）。計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅僅是進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)和離線仿真，還包括實(shí)時(shí)快速控制原型、產(chǎn)品代碼生成和硬件在回路測(cè)試，如圖1.1。這是一個(gè)完整的流線型的控制系統(tǒng)開發(fā)步驟。

1-1 V模式的開發(fā)流程

2、硬件在回路測(cè)試（HIL）

在上述環(huán)節(jié)中硬件在回路（HIL）測(cè)試承擔(dān)了重要的任務(wù)，其實(shí)質(zhì)是一套與電子控制器真實(shí)連接的測(cè)試系統(tǒng)，用于檢測(cè)汽車電子控制器大部分功能性故障。

由于總線技術(shù)的發(fā)展與成熟，現(xiàn)在汽車已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式控制功能。而各個(gè)ECU之間的交互作用增加，例如共享傳感器、計(jì)算信息和執(zhí)行器等。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)支持多種總線系統(tǒng)(CAN、LIN、MOST、FlexRay)，并且對(duì)于大多數(shù)的整車廠或系統(tǒng)供應(yīng)商而言，網(wǎng)絡(luò)中的ECU大部分由不同的廠商提供，這些都又可能成為潛在錯(cuò)誤來源(存在產(chǎn)品召回的風(fēng)險(xiǎn))。

綜上所述，由于汽車技術(shù)快速發(fā)展，電控單元（ECU)的復(fù)雜程度快速增加，控制算法與功能不斷增強(qiáng)，對(duì)整車而言還集成了各種總線通訊功能、在線故障診斷(OBD)等功能。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法面對(duì)復(fù)雜的測(cè)試需求開始顯得力不從心，而在國外各大汽車廠商流行的HIL測(cè)試環(huán)節(jié)中，HIL設(shè)備正逐步滿足更為復(fù)雜的測(cè)試需求。

2.1、兩種主要的基于HIL的ECU測(cè)試類型

2.1.1、單個(gè)ECU功能測(cè)試

一個(gè)ECU開發(fā)完成后，必須對(duì)其功能進(jìn)行全面的測(cè)試?，F(xiàn)在由于控制系統(tǒng)所完成功能的日漸復(fù)雜性，對(duì)其進(jìn)行全面綜合的測(cè)試，特別是故障情況和極限條件下測(cè)試就顯得尤為重要。但如果用實(shí)際的控制對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，很多情況是無法實(shí)現(xiàn)的，或要付出高昂的代價(jià)，但如果用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具對(duì)被控對(duì)2.1 變速箱ECU開發(fā)的HIL測(cè)試象進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，就可以進(jìn)行各種條件下的測(cè)試，特別是故障和極限條件下的測(cè)試。

對(duì)單個(gè)ECU的功能測(cè)試包括軟件功能集成測(cè)試，驗(yàn)收與發(fā)布測(cè)試。如圖2.1顯示了利用HIL環(huán)境對(duì)變速箱ECU（TCU）進(jìn)行的功能測(cè)試。在HIL測(cè)試環(huán)境的搭建中，我們使用dSPACE的實(shí)時(shí)控制仿真平臺(tái)（Simulator設(shè)備）作為實(shí)時(shí)環(huán)境的硬件載體，在MATLAB/SIMULINK中來建立變速箱模型、液力變矩器模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、整車底盤模型與路面模型等被控對(duì)象模型。在通過MATLAB產(chǎn)品家族中的自動(dòng)代碼生成工具（RTW）將上述模型轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)代碼下載至Simulator設(shè)備中的處理器板卡后，即可完成HIL測(cè)試環(huán)境的搭建。

首先TCU通過Simulator中專用I/O板卡獲取車輛模型發(fā)出的狀態(tài)信號(hào)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱輸入與輸出轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、換檔手柄狀態(tài)、變速箱檔位等，TCU基于這些信號(hào)發(fā)出對(duì)變速箱模型的控制信號(hào)，例如換檔控制信號(hào)、離合器控制信號(hào)等。同樣，通過Simulator中專用I/O板卡完成對(duì)這些控制信號(hào)的采集后，車輛模型將根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)的更新，模擬車輛的被控動(dòng)作。

在上述過程中，通過信號(hào)調(diào)理模塊或外圍驅(qū)動(dòng)電路模塊，Simulator還可以集成一些傳感器或執(zhí)行器，所以對(duì)于一些關(guān)鍵部件模型我們可以采取真實(shí)部件取代，例如手柄部件油門踏板，剎車踏板等。同時(shí)，可通過Simulator的標(biāo)準(zhǔn)硬件集成相應(yīng)的診斷或標(biāo)定工具。

對(duì)于功能測(cè)試，我們可以通過操作車輛模型模擬平穩(wěn)加速狀態(tài)、急加速急減速狀態(tài)、坡道狀態(tài)、軟件故障狀態(tài),甚至一些在現(xiàn)實(shí)中很難出現(xiàn)的極端行駛狀態(tài)，從而測(cè)試與評(píng)估TCU的控制效果。另外，還可通過Simulator的故障注入單元模擬大量的硬件故障，如傳感器輸入的開路、短路等，進(jìn)一步檢測(cè)TCU的診斷功能。Simualtor與TCU之間的接口如圖2-2所示。

2-2 Simulator與控制器的接口

面對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試流程，HIL測(cè)試環(huán)境提供了自動(dòng)檢測(cè)的可能性。在上述案例中，我們可通過dSPACE的自動(dòng)測(cè)試軟件AutomationDesk完成對(duì)上述檢測(cè)功能的全部操作，并且可生成相應(yīng)的自動(dòng)測(cè)試報(bào)告。這些都大大提高了測(cè)試工程師的測(cè)試效率。

2.2.2、測(cè)試ECU網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)分布式功能

ECU網(wǎng)絡(luò)測(cè)試包括網(wǎng)絡(luò)中各ECU的“相互作用”，如總線上的相互行為、網(wǎng)絡(luò)管理、功率消耗、系統(tǒng)集成等。目前，大多汽車中集成了診斷與標(biāo)定，動(dòng)力傳動(dòng)控制，底盤控制（ABS、ESP、ASR）,安全氣囊，車身電子控制，座位調(diào)節(jié)，電動(dòng)后視鏡，汽車導(dǎo)航，汽車娛樂媒體等功能，這使得網(wǎng)絡(luò)功能很復(fù)

2-3 車身網(wǎng)絡(luò)拓樸圖

雜與強(qiáng)大。各個(gè)ECU必須基于總線技術(shù)（如CAN總線）進(jìn)行信息傳遞，資源共享。如圖2－3，整個(gè)汽車網(wǎng)絡(luò)可以分為速率不同的網(wǎng)絡(luò)。同一速率的網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)ECU有控制信號(hào)通訊，不同速率的網(wǎng)絡(luò)中的ECU也有通訊，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有ECU形成一個(gè)整體，互相影響，一個(gè)ECU的功能出錯(cuò)會(huì)影響其他ECU的工作，甚至?xí)鹫麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的崩潰。

單個(gè)ECU的一部分功能錯(cuò)誤已在開發(fā)階段檢測(cè)出來，但還有很多錯(cuò)誤必須在一個(gè)集成的系統(tǒng)中才能被檢測(cè)出來；因此對(duì)ECU網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試更為重要，更復(fù)雜?，F(xiàn)在流行的虛擬車輛環(huán)境可以對(duì)ECU網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，而這實(shí)質(zhì)就是HIL測(cè)試。特別對(duì)于整車廠而言，對(duì)于一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)ECU可以交給供應(yīng)商開發(fā)，最后必須進(jìn)行所有ECU集成的測(cè)試。在傳統(tǒng)方法中，常常采用手動(dòng)方法在測(cè)試臺(tái)架上或使用原型車輛來對(duì)ECU 進(jìn)行測(cè)試。這種測(cè)試方法沒有或有限的自動(dòng)操作，沒有或有限的可重用性，難以處理ECU不同的變型，并且不能自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

如圖2.4，在HIL測(cè)試環(huán)境中對(duì)ECU網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，除可以進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試外，具有很高的可重復(fù)性。并且可方便的重現(xiàn)出車輛（總線）中的大量故障。

HIL測(cè)試環(huán)境可以測(cè)量所有的電氣信號(hào)，包括總線信號(hào) 、測(cè)試網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力等；可分階段地進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試（對(duì)未開發(fā)好的ECU進(jìn)行總線仿真），并且能在不同ECU變型結(jié)構(gòu)之間快速切換。

2-4 用于ECU網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的HIL臺(tái)架

上述的HIL測(cè)試環(huán)境同樣是基于dSPACE的Simulator設(shè)備，由于這種設(shè)備的可擴(kuò)展性，它可以靈活的配置大量的輸入與輸出通道（I/O，模擬量，PWM）、信號(hào)調(diào)理模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、電源管理、通訊接口（CAN、LIN、FlexRay等）、負(fù)載模塊和故障模擬模塊等。

圖2.5為一個(gè)對(duì)ECU網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的具體方案，其中主要有三臺(tái) Simulator設(shè)備，其中第一臺(tái)主要模擬動(dòng)力傳動(dòng)模型，與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、變速箱控制器等連接，同理第二臺(tái)主要模擬車輛動(dòng)力學(xué)模型、動(dòng)力轉(zhuǎn)向模型等，第三臺(tái)模擬各種車輛通訊部件模型。三臺(tái)Simulator設(shè)備通過CAN總線和高速傳輸總線連接，其中CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)中各ECU的傳遞信息，高速傳輸總線傳輸各車輛模型的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)；同時(shí)還有專門的CAN網(wǎng)絡(luò)故障模擬器分別與各Simulator設(shè)備連接；最后所有Simulator和故障模擬器通過專門的信號(hào)接口與PC總控制臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)Simulator的模型下載、故障類型設(shè)置、信號(hào)采集、在線調(diào)參等。這樣基于虛擬車輛，通過確定測(cè)試需求，制定測(cè)試流程，我們可以對(duì)整個(gè)ECU網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。

圖2.5 ECU網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的具體方案

3、HIL測(cè)試技術(shù)的展望

HIL測(cè)試可以為ECU的控制算法及功能開發(fā)提供良好的閉環(huán)開發(fā)環(huán)境，為開發(fā)成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品提供有效支持。零部件供應(yīng)商通過HIL測(cè)試系統(tǒng)可以快速開發(fā)與完善ECU控制功能；整車廠可以利用HIL測(cè)試系統(tǒng)對(duì)單個(gè)ECU進(jìn)行功能測(cè)試，故障排除，更重要是對(duì)集成多個(gè)ECU的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，完善所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)品。

而開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的積累，開發(fā)流程的細(xì)化與規(guī)范，各種控制學(xué)科的支持，應(yīng)用環(huán)境與各種法規(guī)的完善制定，都為HIL測(cè)試技術(shù)的完善與規(guī)范提供良好的基礎(chǔ)與必要的支持。目前，國內(nèi)許多汽車企業(yè)，如一汽技術(shù)中心、一汽大眾、東風(fēng)有限等已在恒潤(rùn)科技的技術(shù)支持下，成功應(yīng)用HIL測(cè)試進(jìn)行ECU及網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和測(cè)試，并取得滿意的效果。