HIL测试技术在汽车ECU开发流程中的应用
hil测试技术在汽车ecu开发流程中的应用
1、v模式开发流程
v模式开发流程是现代最重要的开发方法，在这套开发流程中大量使用了计算机辅助控制系统设计（cacsd：computer-aided control system design）。计算机辅助控制系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真，还包括实时快速控制原型、产品代码生成和硬件在回路测试，如图1.1。这是一个完整的流线型的控制系统开发步骤。
1-1 v模式的开发流程
2、硬件在回路测试（hil）
在上述环节中硬件在回路（hil）测试承担了重要的任务，其实质是一套与电子控制器真实连接的测试系统，用于检测汽车电子控制器大部分功能性故障。
由于总线技术的发展与成熟，现在汽车已经通过网络实现分布式控制功能。而各个ecu之间的交互作用增加，例如共享传感器、计算信息和执行器等。同时，网络支持多种总线系统(can、lin、most、flexray)，并且对于大多数的整车厂或系统供应商而言，网络中的ecu大部分由不同的厂商提供，这些都又可能成为潜在错误来源(存在产品召回的风险)。
综上所述，由于汽车技术快速发展，电控单元（ecu)的复杂程度快速增加，控制算法与功能不断增强，对整车而言还集成了各种总线通讯功能、在线故障诊断(obd)等功能。传统的检测方法面对复杂的测试需求开始显得力不从心，而在国外各大汽车厂商流行的hil测试环节中，hil设备正逐步满足更为复杂的测试需求。
2.1、两种主要的基于hil的ecu测试类型
2.1.1、单个ecu功能测试
一个ecu开发完成后，必须对其功能进行全面的测试。现在由于控制系统所完成功能的日渐复杂性，对其进行全面综合的测试，特别是故障情况和极限条件下测试就显得尤为重要。但如果用实际的控制对象进行测试，很多情况是无法实现的，或要付出高昂的代价，但如果用计算机辅助设计工具对被控对2.1 变速箱ecu开发的hil测试象进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试，特别是故障和极限条件下的测试。
对单个ecu的功能测试包括软件功能集成测试，验收与发布测试。如图2.1显示了利用hil环境对变速箱ecu（tcu）进行的功能测试。在hil测试环境的搭建中，我们使用dspace的实时控制仿真平台（simulator设备）作为实时环境的硬件载体，在matlab/simulink中来建立变速箱模型、液力变矩器模型、发动机模型、整车底盘模型与路面模型等被控对象模型。在通过matlab产品家族中的自动代码生成工具（rtw）将上述模型转化为实时代码下载至simulator设备中的处理器板卡后，即可完成hil测试环境的搭建。
首先tcu通过simulator中专用i/o板卡获取车辆模型发出的状态信号，如发动机转速、变速箱输入与输出转速、发动机油温、换档手柄状态、变速箱档位等，tcu基于这些信号发出对变速箱模型的控制信号，例如换档控制信号、离合器控制信号等。同样，通过simulator中专用i/o板卡完成对这些控制信号的采集后，车辆模型将根据控制信号进行状态的更新，模拟车辆的被控动作。
在上述过程中，通过信号调理模块或外围驱动电路模块，simulator还可以集成一些传感器或执行器，所以对于一些关键部件模型我们可以采取真实部件取代，例如手柄部件油门踏板，刹车踏板等。同时，可通过simulator的标准硬件集成相应的诊断或标定工具。
对于功能测试，我们可以通过操作车辆模型模拟平稳加速状态、急加速急减速状态、坡道状态、软件故障状态,甚至一些在现实中很难出现的极端行驶状态，从而测试与评估tcu的控制效果。另外，还可通过simulator的故障注入单元模拟大量的硬件故障，如传感器输入的开路、短路等，进一步检测tcu的诊断功能。simualtor与tcu之间的接口如图2-2所示。
2-2 simulator与控制器的接口
面对传统的测试流程，hil测试环境提供了自动检测的可能性。在上述案例中，我们可通过dspace的自动测试软件automationdesk完成对上述检测功能的全部操作，并且可生成相应的自动测试报告。这些都大大提高了测试工程师的测试效率。
2.2.2、测试ecu网络、节点分布式功能
ecu网络测试包括网络中各ecu的“相互作用”，如总线上的相互行为、网络管理、功率消耗、系统集成等。目前，大多汽车中集成了诊断与标定，动力传动控制，底盘控制（abs、esp、asr）,安全气囊，车身电子控制，座位调节，电动后视镜，汽车导航，汽车娱乐媒体等功能，这使得网络功能很复
2-3 车身网络拓朴图
杂与强大。各个ecu必须基于总线技术（如can总线）进行信息传递，资源共享。如图2－3，整个汽车网络可以分为速率不同的网络。同一速率的网络中每个ecu有控制信号通讯，不同速率的网络中的ecu也有通讯，整个网络中所有ecu形成一个整体，互相影响，一个ecu的功能出错会影响其他ecu的工作，甚至会引起整个网络的崩溃。
单个ecu的一部分功能错误已在开发阶段检测出来，但还有很多错误必须在一个集成的系统中才能被检测出来；因此对ecu网络的测试更为重要，更复杂。现在流行的虚拟车辆环境可以对ecu网络进行测试，而这实质就是hil测试。特别对于整车厂而言，对于一套网络系统的各个ecu可以交给供应商开发，最后必须进行所有ecu集成的测试。在传统方法中，常常采用手动方法在测试台架上或使用原型车辆来对ecu 进行测试。这种测试方法没有或有限的自动操作，没有或有限的可重用性，难以处理ecu不同的变型，并且不能自动生成测试报告。
如图2.4，在hil测试环境中对ecu网络进行测试，除可以进行自动化测试外，具有很高的可重复性。并且可方便的重现出车辆（总线）中的大量故障。
hil测试环境可以测量所有的电气信号，包括总线信号 、测试网络负载、网络容错能力等；可分阶段地进行系统测试（对未开发好的ecu进行总线仿真），并且能在不同ecu变型结构之间快速切换。
2-4 用于ecu网络测试的hil台架
上述的hil测试环境同样是基于dspace的simulator设备，由于这种设备的可扩展性，它可以灵活的配置大量的输入与输出通道（i/o，模拟量，pwm）、信号调理模块、驱动电路模块、电源管理、通讯接口（can、lin、flexray等）、负载模块和故障模拟模块等。
图2.5为一个对ecu网络测试的具体方案，其中主要有三台 simulator设备，其中第一台主要模拟动力传动模型，与发动机控制器、变速箱控制器等连接，同理第二台主要模拟车辆动力学模型、动力转向模型等，第三台模拟各种车辆通讯部件模型。三台simulator设备通过can总线和高速传输总线连接，其中can总线传输网络中各ecu的传递信息，高速传输总线传输各车辆模型的仿真计算数据；同时还有专门的can网络故障模拟器分别与各simulator设备连接；最后所有simulator和故障模拟器通过专门的信号接口与pc总控制台连接，实现simulator的模型下载、故障类型设置、信号采集、在线调参等。这样基于虚拟车辆，通过确定测试需求，制定测试流程，我们可以对整个ecu网络进行测试。
图2.5 ecu网络测试的具体方案
3、hil测试技术的展望
hil测试可以为ecu的控制算法及功能开发提供良好的闭环开发环境，为开发成果转化成产品提供有效支持。零部件供应商通过hil测试系统可以快速开发与完善ecu控制功能；整车厂可以利用hil测试系统对单个ecu进行功能测试，故障排除，更重要是对集成多个ecu的网络进行测试，完善所设计的系统产品。
而开发经验的积累，开发流程的细化与规范，各种控制学科的支持，应用环境与各种法规的完善制定，都为hil测试技术的完善与规范提供良好的基础与必要的支持。目前，国内许多汽车企业，如一汽技术中心、一汽大众、东风有限等已在恒润科技的技术支持下，成功应用hil测试进行ecu及网络的开发和测试，并取得满意的效果。
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v模式开发流程是现代最重要的开发方法，在这套开发流程中大量使用了计算机辅助控制系统设计（cacsd：computer-aided control system design）。计算机辅助控制系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真，还包括实时快速控制原型、产品代码生成和硬件在回路测试，如图1.1。这是一个完整的流线型的控制系统开发步骤。
1-1 v模式的开发流程
2、硬件在回路测试（hil）
在上述环节中硬件在回路（hil）测试承担了重要的任务，其实质是一套与电子控制器真实连接的测试系统，用于检测汽车电子控制器大部分功能性故障。
由于总线技术的发展与成熟，现在汽车已经通过网络实现分布式控制功能。而各个ecu之间的交互作用增加，例如共享传感器、计算信息和执行器等。同时，网络支持多种总线系统(can、lin、most、flexray)，并且对于大多数的整车厂或系统供应商而言，网络中的ecu大部分由不同的厂商提供，这些都又可能成为潜在错误来源(存在产品召回的风险)。
综上所述，由于汽车技术快速发展，电控单元（ecu)的复杂程度快速增加，控制算法与功能不断增强，对整车而言还集成了各种总线通讯功能、在线故障诊断(obd)等功能。传统的检测方法面对复杂的测试需求开始显得力不从心，而在国外各大汽车厂商流行的hil测试环节中，hil设备正逐步满足更为复杂的测试需求。
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2.1.1、单个ecu功能测试
一个ecu开发完成后，必须对其功能进行全面的测试。现在由于控制系统所完成功能的日渐复杂性，对其进行全面综合的测试，特别是故障情况和极限条件下测试就显得尤为重要。但如果用实际的控制对象进行测试，很多情况是无法实现的，或要付出高昂的代价，但如果用计算机辅助设计工具对被控对2.1 变速箱ecu开发的hil测试象进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试，特别是故障和极限条件下的测试。
对单个ecu的功能测试包括软件功能集成测试，验收与发布测试。如图2.1显示了利用hil环境对变速箱ecu（tcu）进行的功能测试。在hil测试环境的搭建中，我们使用dspace的实时控制仿真平台（simulator设备）作为实时环境的硬件载体，在matlab/simulink中来建立变速箱模型、液力变矩器模型、发动机模型、整车底盘模型与路面模型等被控对象模型。在通过matlab产品家族中的自动代码生成工具（rtw）将上述模型转化为实时代码下载至simulator设备中的处理器板卡后，即可完成hil测试环境的搭建。
首先tcu通过simulator中专用i/o板卡获取车辆模型发出的状态信号，如发动机转速、变速箱输入与输出转速、发动机油温、换档手柄状态、变速箱档位等，tcu基于这些信号发出对变速箱模型的控制信号，例如换档控制信号、离合器控制信号等。同样，通过simulator中专用i/o板卡完成对这些控制信号的采集后，车辆模型将根据控制信号进行状态的更新，模拟车辆的被控动作。
在上述过程中，通过信号调理模块或外围驱动电路模块，simulator还可以集成一些传感器或执行器，所以对于一些关键部件模型我们可以采取真实部件取代，例如手柄部件油门踏板，刹车踏板等。同时，可通过simulator的标准硬件集成相应的诊断或标定工具。
对于功能测试，我们可以通过操作车辆模型模拟平稳加速状态、急加速急减速状态、坡道状态、软件故障状态,甚至一些在现实中很难出现的极端行驶状态，从而测试与评估tcu的控制效果。另外，还可通过simulator的故障注入单元模拟大量的硬件故障，如传感器输入的开路、短路等，进一步检测tcu的诊断功能。simualtor与tcu之间的接口如图2-2所示。
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图2.5为一个对ecu网络测试的具体方案，其中主要有三台 simulator设备，其中第一台主要模拟动力传动模型，与发动机控制器、变速箱控制器等连接，同理第二台主要模拟车辆动力学模型、动力转向模型等，第三台模拟各种车辆通讯部件模型。三台simulator设备通过can总线和高速传输总线连接，其中can总线传输网络中各ecu的传递信息，高速传输总线传输各车辆模型的仿真计算数据；同时还有专门的can网络故障模拟器分别与各simulator设备连接；最后所有simulator和故障模拟器通过专门的信号接口与pc总控制台连接，实现simulator的模型下载、故障类型设置、信号采集、在线调参等。这样基于虚拟车辆，通过确定测试需求，制定测试流程，我们可以对整个ecu网络进行测试。
图2.5 ecu网络测试的具体方案
3、hil测试技术的展望
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而开发经验的积累，开发流程的细化与规范，各种控制学科的支持，应用环境与各种法规的完善制定，都为hil测试技术的完善与规范提供良好的基础与必要的支持。目前，国内许多汽车企业，如一汽技术中心、一汽大众、东风有限等已在恒润科技的技术支持下，成功应用hil测试进行ecu及网络的开发和测试，并取得满意的效果。
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