高利華，趙志宇

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對于安全性、舒適性、節(jié)能減排的要求越來越高，但隨之而來的是控制器數(shù)量和復(fù)雜程度的不斷增加，由此產(chǎn)生的后果使得汽車電器功能故障頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，在整車故障中電器故障占到三成以上，在常見的汽車故障中概率最高［1］。

由此對控制器測試的需求進一步提高，基于HIL （Hardware In the Loop，硬件在環(huán)）的半實物仿真技術(shù)是一種用于測試電子控制單元的功能、系統(tǒng)集成和通信的方法，通常用于汽車、航空、工程機械等領(lǐng)域。在汽車行業(yè)中，基于HIL仿真的測試環(huán)境針對用戶的被測車型進行建模仿真，并將其運行于控制器閉環(huán)工作的實時環(huán)境中，實現(xiàn)對各個電控單元的復(fù)雜測試。

與傳統(tǒng)的實車功能測試相比，HIL測試手段的優(yōu)勢主要有：將測試過程從試驗臺架中分離；能夠模擬被控對象的各種工況；能夠模擬復(fù)雜的故障模式；快速復(fù)現(xiàn)故障模式；實現(xiàn)多個控制器的集成測試；實現(xiàn)測試自動化；易于維護和擴展測試能力等［2］。

1 HIL仿真系統(tǒng)的需求分析和設(shè)計方案

1.1 測試需求

本系統(tǒng)是基于長城汽車某車型車身域而搭建的硬件在環(huán)仿真平臺，包括車身控制模塊BCM、無鑰匙進入起動系統(tǒng)PEPS、儀表系統(tǒng)IP、網(wǎng)關(guān)GW、門控制模塊DCM等13個ECU。其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

CAN總線拓撲中包含27個ECU，分布在高速、中速、低速三路網(wǎng)絡(luò)，其中虛線部分的ECU為選配，不同路上的ECU通過GW路由。車身域的各ECU包含在網(wǎng)絡(luò)拓撲中。具體的需求包括以下4項。

1）能夠?qū)崿F(xiàn)單個控制器的獨立功能測試，支持車身ECU開發(fā)驗證。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)多個控制器的系統(tǒng)集成測試，并且在欠缺一個或多個真實ECU的情況下，模擬所欠缺的ECU，可與其他真實ECU進行系統(tǒng)集成功能測試。

3）能夠通過故障注入模擬各種電氣故障，故障注入可方便產(chǎn)生診斷測試所需要的各類外部故障（包括ECU搭鐵短路、電源短路、電源開路以及CAN總線故障等）。用于控制器的診斷功能測試，由HIL設(shè)備自動讀取ECU的DTC（診斷故障碼）進行對比，得出DTC的測試報告。

4）設(shè)備可自由方便地通過人機界面，進行手動或自動的測試。

1.2 具體設(shè)計方案

本仿真系統(tǒng)采用ETAS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)Labcar，本系統(tǒng)主要有包括上位機軟件平臺與機柜式硬件平臺。具體的設(shè)計思路是，將matlab／simulink模型、C代碼、硬件板卡配置、CAN LIN模型集成到軟件平臺，下載到實時計算機 （RTPC）中，控制相應(yīng)的板卡，最終控制相應(yīng)的控制器輸出。ECU上電通過外部TOE電源，可給單個ECU上電，做單ECU的測試，也可全部上電，進行集成測試。通過上位機軟件還可進行故障注入的控制，對診斷進行測試［3］。

2 HIL測試平臺的搭建

2.1 硬件平臺的搭建

整個系統(tǒng)平臺由HIL機柜、負載臺架、軟件平臺組成。如圖2所示。

硬件平臺由多個模塊組成，其中包括RTPC、 VME4100板卡箱、電池節(jié)點切換（靜電流測量）箱、CAN LIN切換箱、故障注入箱等。HIL機柜分布圖如圖3所示。

2.1.1 RTPC及其擴展箱

RTPC又稱實時計算機，是硬件在環(huán)仿真平臺的核心組成部分，是溝通上位機軟件與下位機硬件板卡的橋梁，上位機軟件集成的模型下載到RTPC，然后控制下位機板卡，它們之間通過以太網(wǎng)口相連接。如圖4所示。

本仿真系統(tǒng)使用的RTPC采用主流的i7四核CPU，支持并行處理及模型的分核下載，滿足同步性要求并具備可多擴展性。采用實時Linux操作系統(tǒng)進行仿真模型運算。RTPC擴展箱主要擴展了CAN／LIN總線通信板卡，此板卡是基于PCIe總線通信，為滿足測試的需要，提供4路CAN與4路LIN通信接口，提供連接接口通道大于30路的CAN管理模塊，用于與ECU和外圍設(shè)備連接，通過切換箱能提供大于30路的CAN接口和大于10路的LIN接口。

2.1.2 VME4100板卡箱

VME4100板卡箱基于VME總線，高性能、信號穩(wěn)定。ES4100板卡箱中可配置21個板卡插槽，并可根據(jù)ECU信號需求靈活配置I／O板卡。根據(jù)ECU管腳需求，本系統(tǒng)平臺分別配置了仿真控制板卡ES1130、PWM及數(shù)字信號板卡ES1321、模擬輸入信號板卡PB1651、模擬輸出信號板卡PB4350、電阻信號模擬板卡ES1385。

1）ES1130用于各板卡和RTPC處理器之間的相互通信。

2）ES1321板卡用于輸出和采集數(shù)字信號，主要指標為帶有24個輸入通道和16個輸出通道。輸出結(jié)果可由一個高和一個低電平配置，并通過前面板用2個外部參考電壓進行比較；100kHz最大輸入輸出頻率；輸入輸出頻率為1Hz～100 kHz；PWM數(shù)字通道可兼容數(shù)字輸入。

3）PB1651模擬輸入信號板卡具備16個輸入通道，采用差分電壓輸入，16位分辨率，±3mV精度，輸入阻抗＞10M，轉(zhuǎn)換時間＜8us。

4）PB4350模擬輸出信號板卡具備10個輸出通道，14位分辨率，通過軟件可為每個通道配置內(nèi)部／外部參考電壓。

5）ES1385電阻信號模擬板卡用于模擬帶有電阻負載的ECU傳感器，每塊板卡有6個電阻通道并可由軟件設(shè)置其阻值，6個通道中有4個可從20Ω調(diào)節(jié)至28 kΩ，最小步長為1 Ω的通道；2個可從20 Ω調(diào)節(jié)至108kΩ，最小步長為2Ω的通道。

2.1.3 電池節(jié)點切換 （靜電流測量）箱

1）電池節(jié)點切換 電池節(jié)點切換的作用是通過繼電器的控制來對各個ECU上電，包括KL30、KL15等。通過此切換箱，可以任意給不同的ECU上電，也可以同時給幾個ECU上電?？梢苑奖氵M行單ECU測試或者幾個ECU的集成測試。

供電系統(tǒng)是由TOE可編程電源供電，本系統(tǒng)采用的可編程電源功率可達3kW，電壓0～30V連續(xù)可調(diào)，可滿足過壓和欠壓的測試需求，可手動控制也可遠程實現(xiàn)自動化的控制，并且滿足ISO 16750和ISO 7637的電源起動波形仿真。

2）靜電流測量 此板卡箱還可實現(xiàn)靜電流測量的功能。采用的靜電流測量模塊為CMMI，其分辨率可達2μA，測試范圍為1μA～100A，并能在數(shù)個微秒內(nèi)自動選擇量程。其工作原理為：通過繼電器回路切換的方式，遠程控制將電流測量回路串入被測的ECU。如圖5所示。

CMMI_1用來測量系統(tǒng)的靜態(tài)電流，CMMI_3用來測量ECU的T30和T15電流，CMMI_2用來測量ECU對搭鐵的電流。

2.1.4 故障注入箱

故障注入箱的主要功能是對控制器的輸入輸出引腳進行故障注入，然后進行診斷的測試，故障注入包括斷路、搭鐵短路、對電短路、CAN低與CAN高短路等。

此故障箱可單獨使用，配合相應(yīng)的軟件，可手動控制故障的注入，也可接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)自動化的控制。

2.2 軟件平臺搭建

本系統(tǒng)的軟件平臺是基于ETAS的軟件平臺，主要包括LCO（Labcar operator，手動平臺）與LCA（Labcar automation， 自動平臺）。

2.2.1 手動測試軟件平臺

ETAS的Labcar測試軟件平臺為LCO平臺系統(tǒng)，包括IP（Integration Platform，集成平臺）與EE（Experiment Environment，試驗環(huán)境）2個軟件界面。

1）集成平臺軟件 IP又可稱為集成平臺，可以將不同軟件工具生成的模型統(tǒng)一導(dǎo)入到IP中，生成統(tǒng)一工程。模型可以包括Matlab／Simulink、ASCET、C代碼等。此平臺還可配置I／O硬件板卡及CAN、LIN硬件模型，并將這些模型進行關(guān)聯(lián)。IP軟件的另一個作用是編譯生成實時計算機可識別的代碼。

2）試驗環(huán)境軟件 EE又稱試驗環(huán)境，是進行手動測試的界面環(huán)境。此軟件環(huán)境可實現(xiàn)訪問各模型的信號和接口，并且可以將這些資源以豐富的界面格式顯示，方便進行測試操作。試驗環(huán)境如圖6所示。

2.2.2 自動化測試軟件平臺

自動化測試軟件平臺，又稱LCA，主要用于自動化測試，其由幾個小的軟件組成。測試方法主要包括兩種：一種稱為ASB（Automation Sequence Builder，自動序列搭建平臺），軟件集成了ETAS自帶的模塊，可以通過拖拽的方式進行測試Case的搭建，每個模塊都可設(shè)定相應(yīng)的變量值。另一種方式可以通過C＃等編程語言來實現(xiàn)。軟件環(huán)境為test handle（測試配置平臺）。通過代碼的編寫可實現(xiàn)測試Case（案例）的編寫和調(diào)試。

3 仿真測試

3.1 測試概述

ETAS的硬件在環(huán)測試平臺又叫Labcar系統(tǒng)，可以稱之為試驗室中的汽車，就是在試驗室中，通過此系統(tǒng)仿真出ECU或者傳感器等模型，進行相關(guān)測試。本系統(tǒng)是對十幾個真實的ECU進行測試，所以需要仿真各種輸入信號，如數(shù)字信號、模擬信號（傳感器信號）、電阻信號燈。同時能夠采集各ECU的輸出信號，便于自動化測試的判斷。

3.2 測試舉例

現(xiàn)以近光燈點亮功能為例，介紹HIL測試平臺測試流程。首先將新建好的上位機軟件工程下載到RTPC，軟件工程已將各模型集成進去，并把各輸入輸出通道配置完畢，下載完畢后進入EE界面，此時可對ECU進行仿真測試。

點亮近光燈為BCM外燈功能，測試過程先給BCM供電，然后發(fā)送相應(yīng)的報文信號和硬線信號，報文信號為CAN卡發(fā)送的系統(tǒng)電源模式為ON的信號，硬線信號為點亮位置燈信號和點亮近光燈信號（邏輯功能為先點亮位置燈才能點亮近光燈），均為低電平有效。輸入條件滿足后，可對輸出進行采集，采集近光燈信號是否為高電平。最后打印測試報告，判斷測試結(jié)果。

HIL測試的優(yōu)勢為可以進行部分實車中不好實現(xiàn)的測試，如過壓、欠壓測試；極限條件下的測試；故障注入及診斷的測試；逆向及沖突測試等。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)實車或者臺架測試相比，硬件在環(huán)測試有其獨特的優(yōu)勢，進而這幾年得到了快速的發(fā)展。特別是在ECU開發(fā)階段，因為此時不可能進行實車驗證，所以通過硬件在環(huán)測試可在早期發(fā)現(xiàn)存在的問題，及時進行改正，大大縮短了整車的開發(fā)周期。

本系統(tǒng)是基于ETAS的Labcar硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建的車身系統(tǒng)測試平臺，硬件平臺可提供各ECU所需的硬線和CAN信號，并能對輸出信號進行回采，還可進行故障注入與靜電流的測量，通過上位機軟件可實現(xiàn)自動和手動的測試，使用方便，測試靈活［4］。

［1］胡朝峰.汽車電子電器硬件在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)的研究［J］.汽車電器， 2010 （6）： 50-52.

［2］李淑英.基于Labcar2 AT硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)開發(fā)［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［3］呂峰，歐增開.整車電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試技術(shù)研究［J］.汽車電器， 2013 （7）： 60-62.

［4］潘煒，高鏡惠，周雅夫，等.基于MATLAB_Simulink的汽車ABS的半實物仿真系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2013（12）： 23-24.