作者 | 謙益行
出品 | 汽車電子與軟件
曾經(jīng)從事軟件開發(fā)工作時，經(jīng)常會與HIL測試打交道，有使用過HIL臺架進行軟件開發(fā)的測試驗證，也有過輔助測試同事來設(shè)計測試用例，以及驗收HIL臺架的仿真模型等內(nèi)容。曾經(jīng)從事ECU系統(tǒng)工作時，有幸深度參與過HIL臺架的需求定義；曾經(jīng)也從事功能開發(fā)工作時，也深度思考過如何利用HIL臺架更好地進行功能的開發(fā)和驗證。因此，本文打算就個人對HIL臺架的認識和思考，稍作分享。
#01 為什么需要HIL臺架系統(tǒng)
首先第一個問題，為什么需要HIL臺架系統(tǒng)？這是因為從整車研發(fā)流程來看，不管是在整車的系統(tǒng)層級，或是ECU的系統(tǒng)層級，還是 ECU軟件層級，這些層級都有大量的設(shè)計開發(fā)內(nèi)容。開發(fā)需要測試驗證這是毫無疑問的，關(guān)鍵點在于用什么樣的環(huán)境或設(shè)備來進行測試驗證。
這些測試驗證工作不可能都使用整車來進行，因為：
- 一是需求的整車數(shù)量巨大，成本巨高，耗時巨長；
- 二是開發(fā)的不同步，不管是在哪個級別都無法完全協(xié)調(diào)一致。
因此，在這樣的事實之下，各個層級都需要明確自己的測試需求，進而去構(gòu)建各自的測試環(huán)境，也就是HIL臺架系統(tǒng)。
Source：電子控制單元（ECU）HIL測試 | HIL仿真
以ECU的系統(tǒng)層級為例，其主體是ECU，一方面需要驗證ECU與外界的信息交互功能，另一方需要驗證自身的產(chǎn)品功能和性能。
因此在這個層級進行ECU的系統(tǒng)測試，那么ECU應(yīng)該具備下列的一些條件，在信號輸入方面有：
- 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，比如溫度、壓力和速度等，具體取決于ECU的用途；另外信號涵蓋模擬信號形式，數(shù)字信號形式，頻率信號形式以及協(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、電磁閥類和電機類的控制。
也就說要進行完整的ECU的系統(tǒng)測試，這些條件都應(yīng)該具備。而對于單獨的ECU而言，顯然很多信號的輸入和輸出都需要去構(gòu)建，因此HIL臺架系統(tǒng)的需求就應(yīng)運而生。
#02 如何定義HIL臺架系統(tǒng)
我們需要HIL臺架系統(tǒng)做什么，決定了我們?nèi)绾稳ザx。不同層級對于HIL臺架系統(tǒng)的需求可能有所差異，但是在HIL臺架系統(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臺架的輸入和輸出能力，包括：
- 電源方面，HIL臺架系統(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臺架系統(tǒng)需要提供足夠的輸入通道。比如模擬信號，數(shù)字信號和頻率信號的輸入通道數(shù)量分別是多少，電壓范圍是多少，頻率范圍是多少等；對于輸出方面也類似。
- 通訊方面，HIL臺架系統(tǒng)需要提供足夠的通訊類型和通道，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型和通道，以支持診斷的需求。
最后可能還包括提供一些負載的模擬或者替代等。
2.2 軟件能力
HIL臺架系統(tǒng)的軟件能力，主要包括兩個方面，一個是HIL臺架系統(tǒng)本身的軟件能力，另一個是HIL臺架系統(tǒng)所能提供的ECU軟件仿真能力。關(guān)于HIL臺架系統(tǒng)本身的軟件能力，借助dspace產(chǎn)品來進行說明，主要包括以下幾個方面：
- 對上述所提供的硬件能力，需要有相應(yīng)的軟件平臺進行實時硬件的配置，像ConfigurationDesk能提供較好的圖形化配置。
- 需要提供測試用例的編寫和測試自動化的軟件，像AutomationDesk可以使用戶能以圖形格式創(chuàng)建和編輯測試程序，無需具備編程技能。
- 需要提供豐富HIL測試狀態(tài)和進度的可視化，像ControlDesk用于開發(fā)ECU的通用模塊化實驗和儀表軟件，讓測試人員更容易接收到測試的信息和狀態(tài)。
- 需要HIL測試的數(shù)據(jù)管理與協(xié)作軟件，像SYNECT提供了從需求到測試結(jié)果的完全可追溯性，與ALM工具和過程集成，以彌補與實際測試執(zhí)行之間的差距，這樣便于軟件測試的管理，也優(yōu)化HIL利用率。
Source：電子控制單元（ECU）HIL測試 | HIL仿真
關(guān)于HIL臺架系統(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。對于Plant模型主要取決于ECU控制的是什么，MCU對應(yīng)電機模型，動力總成域控制器對應(yīng)整車的動力學(xué)模型。相對于供應(yīng)商，OEM對于HIL測試系統(tǒng)的需求更多在于驗證應(yīng)用層軟件的功能和性能，這樣就需要依托強大的物理模型進行測試驗證，即需要HIL測試系統(tǒng)提供強大的建模能力，比如針對動力總成系統(tǒng)的HIL臺架測試系統(tǒng)，物理模型可能就包括發(fā)動機模型，變速箱模型和車輛動力學(xué)模型等。
source: Top Level of Vehicle Plant Model | Download Scientific Diagram
以上就是關(guān)于HIL臺架系統(tǒng)的主要需求，目前國內(nèi)HIL臺架系統(tǒng)的主流解決方案來自幾個平臺：dSPACE平臺， NI平臺，Vector平臺和Mathworks平臺。總的來說，這些平臺都具有各自的優(yōu)勢，有的成本低，有的易于維護，有的便于擴展。對于如何選擇這些平臺，最終還是看自己的需求。這些平臺基本都能保證功能實現(xiàn)，主要看自己的會偏向于哪個特性。
#03 如何驗收HIL臺架系統(tǒng)
當(dāng)定義好了HIL臺架系統(tǒng)，接下來就是供應(yīng)商去設(shè)計和制造，然后需求方再進行驗收工作。
- HIL臺架系統(tǒng)的硬件能力，這些是供應(yīng)商必須實現(xiàn)的，通常都沒啥問題。
- HIL臺架系統(tǒng)的軟件能力，這些需求通常不夠清晰，邊界不夠精準(zhǔn)，因此是驗收重點。
曾經(jīng)碰到過動力總成的Plant模型問題，雖然經(jīng)歷過多次的技術(shù)溝通，但最終給出還是相對折衷的交付物。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，此時供應(yīng)商的技術(shù)人員就特別重要，一方面是否對方是否真正理解了你的需求，另一方面是對方是否具備足夠的能力去實現(xiàn)你的需求。 這里舉一個例子，假設(shè)要求HIL的電機模型支持轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制，如果只是簡單這樣一條需求，那么實現(xiàn)方案是存在多種可能性，比如：
- 最簡單的話，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，采用電機控制算法來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。
- 再復(fù)雜的話，建立電機控制及其本體模型，能反饋電機的電流電壓等參數(shù)狀態(tài)。
這樣我們不難理解，隨著需求的詳細程度和復(fù)雜成不同，對HIL臺架系統(tǒng)軟件能力將會產(chǎn)生巨大的影響。因此，對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臺架系統(tǒng)
當(dāng)HIL臺架系統(tǒng)有了之后，那么接下來的關(guān)鍵點在于使用HIL臺架系統(tǒng)的測試人員，對于HIL測試人員有以下幾個核心要點：
- 臺架搭建，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軟件測試環(huán)境的構(gòu)建和配置等。
- HIL測試，包括信號的模擬和仿真，測試用例的編寫、運行、評估和管理，測試問題的分析和解決，以及測試場景的構(gòu)建操作等。
- 功能/軟件開發(fā)，主要與功能相關(guān)的控制策略和物理模型開發(fā)。
對于以上這幾點，前兩點是HIL測試人員必須具備的技能，第三點會隨HIL臺架系統(tǒng)所使用的需求層級而變化，就下圖所示的一個HIL測試工程師的招聘崗位職責(zé)：
而對于供應(yīng)商的ECU系統(tǒng)層級，使用HIL臺架系統(tǒng)主要進行兩大方面的測試驗證給工作，包括：
- ECU與外界環(huán)境的信息交互驗證，比如與其他ECU的通訊，傳感器信號的采集和外部執(zhí)行器的驅(qū)動等。
- ECU自身產(chǎn)品功能和性能的驗證，比如正常情況下，電機控制器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，整車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)層級的HIL測試涵蓋了ECU硬件和軟件的設(shè)計驗證，通常在汽車研發(fā)體系中還有ECU軟件層級的HIL測試，相對于ECU系統(tǒng)層級是針對ECU系統(tǒng)需求的驗證，ECU軟件層級的HIL測試是驗證ECU軟件需求及詳細設(shè)計。
如下示意一種BMS狀態(tài)機，當(dāng)對該狀態(tài)進行HIL測試時，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)上沒啥影響，ECU系統(tǒng)層級的HIL測試可以不關(guān)注這個點，但是從ECU軟件層級的HIL測試角度，這種情況則不能出現(xiàn)，因為不符合軟件需求或軟件的詳細設(shè)計，因此需要對此問題分析和修復(fù)。
#05 小 結(jié)
以上就是針對HIL臺架系統(tǒng)的一些個人認識，歸納起來就是：- 汽車研發(fā)過程有大量針對開發(fā)設(shè)計的測試驗證工作，從成本和效率等考慮，對HIL臺架系統(tǒng)有很強的需求。
- 對于到底怎樣的HIL臺架系統(tǒng)，取決于需要用HIL臺架來做什么，以及要做到什么程度，進而也決定了需要怎樣的HIL測試人員。
- 對于HIL臺架系統(tǒng)的使用，掌握怎么搭建臺架系統(tǒng)，以及如何進行HIL測試，這是必需的工作技能，而對于功能或模型開發(fā)的掌握程度，取決于使用HIL臺架系統(tǒng)進行何種層級的HIL測試。
