鄒慶勇，龔元明

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

環(huán)境污染、能源短缺問題越來越嚴(yán)重，電動汽車由于在節(jié)能、環(huán)保方面的突出優(yōu)勢越來越得到人們的青睞，傳統(tǒng)車企和新興車企都開始將電動汽車作為未來發(fā)展的方向。然而，作為電動汽車控制中心的整車控制器功能復(fù)雜、安全性要求嚴(yán)格，在軟件開發(fā)的過程中涉及大量的測試工作，因此開發(fā)周期較長、成本高。為了提高汽車控制器的開發(fā)效率，目前，比較常用的方式是采用硬件在環(huán)，通過硬件在環(huán)仿真測試平臺對控制器不斷測試優(yōu)化，但僅僅依賴傳統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試平臺，測試用例的創(chuàng)建和測試數(shù)據(jù)的分析等測試工作往往只能由現(xiàn)場測試人員完成，難以實現(xiàn)更多的人員快速參與到汽車控制器的開發(fā)工作中。如果采取遠程測試的方案，則會更大發(fā)揮整車控制器硬件在環(huán)測試的優(yōu)越性，提高整車控制器的開發(fā)效率。因此，本文提出了一種基于嵌入式Linux的整車控制器硬件在環(huán)遠程自動測試系統(tǒng)，主要包括遠程診斷測試中心和現(xiàn)場測試終端，現(xiàn)場測試終端設(shè)備通過OBD接口與硬件在環(huán)仿真平臺相連。通過該系統(tǒng)，遠程測試人員可以遠程創(chuàng)建診斷測試用例、開展測試。

1 整車控制器硬件在環(huán)遠程測試系統(tǒng)概述

該遠程測試系統(tǒng)由遠程客戶端、云端服務(wù)器和現(xiàn)場測試終端構(gòu)成。遠程客戶端通過與測試人員的交互實現(xiàn)所需測試內(nèi)容、CAN通訊配置信息的輸入以及測試結(jié)果的顯示。云端服務(wù)器程序分為網(wǎng)站后端程序和與現(xiàn)場測試終端通信的TCP服務(wù)器程序，網(wǎng)站后端程序用于存儲測試人員的測試命令和測試內(nèi)容，TCP服務(wù)器程序用于及時監(jiān)測診斷測試指令，做出響應(yīng)、接收現(xiàn)場測試終端的測試結(jié)果并存儲于數(shù)據(jù)庫中?，F(xiàn)場測試終端用于接收測試內(nèi)容，根據(jù)UDS協(xié)議和CAN通訊配置參數(shù)構(gòu)建診斷測試CAN報文，通過與硬件在環(huán)仿真平臺進行數(shù)據(jù)的交互從而實現(xiàn)對整車控制器的診斷測試。

硬件在環(huán)遠程測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件在環(huán)遠程測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of the hardware in－the－loop remote test system

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)選用dSPACE平臺，德國dSPACE公司研發(fā)的dSPACE實時仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確穩(wěn)定、操作簡便、功能強大。該整車控制器硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的主要功能是通過仿真模型等模擬整車控制器的運行環(huán)境，接收控制器的輸出信號，為控制器提供所需的輸入信號。硬件在環(huán)仿真平臺有OBD接口，現(xiàn)場測試終端可以通過CAN轉(zhuǎn)OBD接入整車控制器硬件在環(huán)仿真平臺，實現(xiàn)與仿真平臺的數(shù)據(jù)交互。

2 現(xiàn)場測試終端設(shè)計

為了實現(xiàn)對硬件在環(huán)仿真平臺中的整車控制器的診斷測試，通過CAN總線接入到仿真平臺中整車控制系統(tǒng)中，通過CANID選擇整車控制器進行測試。由于現(xiàn)場測試終端需要和云端TCP服務(wù)器程序通訊，而且需要較快的通信速度，所以現(xiàn)場測試終端選用以太網(wǎng)模塊。現(xiàn)場測試終端需要提供圖形交互界面，便于用戶操作，實現(xiàn)與云端服務(wù)器的連接、測試狀態(tài)及測試結(jié)果，故需要觸摸顯示屏。

另外，由于該遠程測試系統(tǒng)要求具有較高測試精度，現(xiàn)場測試終端需要具備較強的處理能力以便與控制器快速通信、數(shù)據(jù)的解析處理及上傳測試結(jié)果。為了支持復(fù)雜的應(yīng)用程序，現(xiàn)場測試終端選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，其硬件平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場測試終端硬件平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 The structure design of field test terminal hardware platform

2.1 現(xiàn)場測試終端硬件選型

2.1.1 嵌入式微處理器的選擇

基于Cortex－A7內(nèi)核的MCIMX6Y2CVM05AB處理器是恩智浦公司推出的一款高性能的工業(yè)級處理器，該處理器的主頻高達800 MHz，帶有2個FlexCAN、1個RGB_LCD控制器、兩個10／100 M以太網(wǎng)MAC控制器等，還提供多種內(nèi)存接口，包括DDR3、NAND flash、EMMC接口等。本文通過MMDC接口和EMMC接口擴展了512 MB的DDR3內(nèi)存和8 G的存儲Flash。

2.1.2 存儲器的選擇

（1）非易失存儲器。為了使搭建的硬件平臺具有更好的性能，需要為處理器搭配一個存儲芯片，以便于存儲數(shù)據(jù)和操作系統(tǒng)，常見的非易失性存儲芯片有NAND Flash、NOR Flash和EMMC等。其中，NOR Flash寫入和擦除速度較低，NAND Flash寫入和擦除速度較快，但是其對處理器的要求較高，數(shù)據(jù)傳輸時常常需要主機具備相應(yīng)的控制器。為了充分發(fā)揮NAND Flash的優(yōu)點，同時又不對處理器提出特殊要求，本文選用將NAND FLASH和控制芯片封裝在一塊的EMMC作為非易失存儲器。EMMC內(nèi)部分為3部分，分別為Flash Memory、Flash Controller和Host Initerface。

（2）內(nèi)存芯片。MCIMX6Y2CVM05AB處理器自帶的RAM比較小，只有128 KB的OCRAM，故需要外接一個RAM芯片。MCIMX6Y2CVM05AB處理器自帶MMDC接口，可以方便地實現(xiàn)外接DDR3L或DDR3存儲芯片，綜合考慮存儲芯片的性能和使用電壓，選擇DDR3L存儲芯片作為外接的RAM芯片。

2.1.3 以太網(wǎng)模塊

MCIMX6Y2CVM05AB處理器內(nèi)部集成了兩個MAC控制器，系統(tǒng)選擇使用第二個MAC，支持10／100 Mbit／S的動態(tài)配置，可以實現(xiàn)3層網(wǎng)絡(luò)加速，支持加速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包含TCP和IP等；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)需要外加一個PHY芯片，PHY芯片選擇LAN8720A，該芯片一端和MAC控制器相連，另一端通過變壓器和RJ45相連。MAC控制器和PHY芯片的數(shù)據(jù)傳輸分為MII接口和RMII接口。由于MII接口所需信號線較多，比RMII接口多出9根信號線，本系統(tǒng)選擇了RMII接口。另外，MAC控制器還需要對PYH芯片進行配置和寄存器讀取，實現(xiàn)這部分功能的通信接口是MDIO接口。

芯片上MAC和LAN8720A的連接框圖如圖3所示。

圖3 MAC和LAN8720的連接框圖Fig.3 Connection block diagram of MAC and lan8720

2.1.4 LCD顯示器

MCIMX6Y2CVM05AB處理器自帶有一個顯示屏接口eLCDIF，該接口支持RGB接口的LCD顯示屏。另外，該處理器自帶的顯示屏接口支持RGBLCD的DE模式和VSYNC模式，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

RGBLCD由RGB三原色像素構(gòu)成，不同比重的RGB組合成不同的顏色，當(dāng)全亮?xí)r為白色，全暗時為黑色。LCD顯示器顯示信息豐富、功耗低，選用星翼電子推出的4.3寸電容觸摸顯示屏，分辨率為800×480，并行24位RGB接口，工作芯片為GT9147。

2.1.5 CAN通信模塊

CAN全稱Controller Area Network，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動化等方面。CAN作為一種串行通信方式，數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定可靠、傳輸速率塊、傳輸距離遠。CAN通信最高速度達到1 Mbps，最遠傳輸10 KM。實現(xiàn)CAN通信需要CAN控制器和CAN收發(fā)器共同完成。MCIMX6Y2CVM05AB處理器內(nèi)部已經(jīng)包含了CAN控制器FlexCAN，只需外加一個CAN收發(fā)器即可。本系統(tǒng)中，CAN收發(fā)器選用的是耐用、穩(wěn)定性好并且傳輸速率快的TLE6250GV33型號芯片。

2.2 現(xiàn)場測試終端軟件設(shè)計

現(xiàn)場測試終端和云端服務(wù)器程序進行數(shù)據(jù)的收發(fā)采用的是TCP Socket通訊。Socket是一種客戶端和服務(wù)器程序間進行通信的機制，為TCP／IP通信協(xié)議提供了獨立的網(wǎng)絡(luò)編程接口，應(yīng)用程序通過調(diào)用這些網(wǎng)絡(luò)編程接口實現(xiàn)計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)場測試終端軟件設(shè)計主要的功能模塊有：

（1）測試內(nèi)容的接收和存儲模塊；

（2）現(xiàn)場測試終端對硬件在環(huán)仿真測試平臺中的整車控制器進行診斷測試和結(jié)果上傳模塊。

現(xiàn)場測試終端軟件流程圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測試終端軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software for field test terminal

2.2.1 存儲模塊設(shè)計

Sqlite數(shù)據(jù)庫體積小、性能穩(wěn)定且使用簡單，是非常適合嵌入式設(shè)備的輕量數(shù)據(jù)庫。Sqlite程序與測試終端應(yīng)用程序共用一個進程空間，使用方便簡單。另外，現(xiàn)場測試終端的應(yīng)用程序使用QT編寫，QT是一種跨平臺的C＋＋圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有豐富的模塊，其中QT SQL模塊可以方便地實現(xiàn)對Sqlite數(shù)據(jù)庫的各種操作。在QT內(nèi)借助QtSql模塊所包含的各種類來實現(xiàn)對Sqlite數(shù)據(jù)庫的各種操作。因此，現(xiàn)場測試終端選擇Sqlite作為存儲測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。

2.2.1.1 CAN通訊配置參數(shù)表

ECU動態(tài)數(shù)據(jù)流獲取功能測試模塊使用的CAN通訊配置參數(shù)表的字段主要有幀類型、數(shù)據(jù)標(biāo)識符個數(shù)和狀態(tài)參數(shù)上傳周期period等，見表1。

表1 CAN通訊配置參數(shù)表Tab.1 CAN communication configuration parameter table

2.2.1.2 DID數(shù)據(jù)表

DID數(shù)據(jù)表主要存儲獲取的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識符，見表2。

表2 DID數(shù)據(jù)表Tab.2 DID data sheet

2.2.2 現(xiàn)場測試終端診斷測試模塊設(shè)計

現(xiàn)場測試終端接收全部測試內(nèi)容后，會向云端TCP服務(wù)端程序發(fā)送存儲完畢信號，云端服務(wù)器接收到該信號，將向測試終端發(fā)送“所有測試信息都已發(fā)送并開啟測試”命令，此時，診斷測試過程開始。

診斷測試模塊由子線程執(zhí)行相應(yīng)診斷測試函數(shù)實現(xiàn)，滿足遠程測試人員隨時執(zhí)行停止測試和重新測試等的要求，使得系統(tǒng)更加靈活。

當(dāng)用戶退出測試以后，軟件會清理測試過程中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表、初始化仿真測試平臺，關(guān)閉負責(zé)診斷測試的子線程，最后向云端發(fā)送退出完成回復(fù)。

整車控制器通過不斷獲取汽車的狀態(tài)信息，可以更好的實現(xiàn)對汽車的控制，還可以將一部分狀態(tài)數(shù)據(jù)提供給駕駛員，比如：轉(zhuǎn)速，車速等使其對汽車的運行狀態(tài)有更清晰的了解。因此，整車控制器應(yīng)能夠及時準(zhǔn)確地獲取汽車的狀態(tài)參數(shù)，通過車輛狀態(tài)參數(shù)獲取功能測試即可判斷VCU是否可以實現(xiàn)這一重要功能。在對VCU狀態(tài)參數(shù)的獲取功能進行測試時，主要使用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)為ReadDataByIdentifier（0x22）。

3 云端TCP服務(wù)器軟件設(shè)計

云端TCP服務(wù)器軟件用于為現(xiàn)場測試終端提供完整的診斷測試服務(wù)，包括測試內(nèi)容的發(fā)送以及測試結(jié)果的接收等。

測試內(nèi)容發(fā)送及測試結(jié)果接收模塊程序流程圖如圖5所示。TCP服務(wù)器程序接收到現(xiàn)場測試終端查詢是否已啟動測試的命令之后，通過創(chuàng)建子線程定時從相關(guān)數(shù)據(jù)表中查詢用戶的測試啟動命令，一旦檢測到啟動信號，立即向TCP客戶端發(fā)送“測試人員已啟動測試”信號，發(fā)送成功之后，線程結(jié)束。在線程檢測啟動信號的過程中，由于TCP服務(wù)端仍然可以正常接收TCP客戶端信息，如心跳包，所以TCP客戶端和服務(wù)端可以始終保持正常連接狀態(tài)。

圖5 測試內(nèi)容發(fā)送和測試結(jié)果接收程序流程圖Fig.5 Flow chart of the procedure for sending test content and receiving test results

“測試人員已啟動測試”信號發(fā)送成功后，TCP服務(wù)端將接收到獲取測試內(nèi)容的命令，這時，需要創(chuàng)建子線程，用于發(fā)送測試內(nèi)容等。

4 遠程客戶端設(shè)計

遠程客戶端和后端服務(wù)器程序采用B／S架構(gòu)。網(wǎng)站的開發(fā)使用Django。Django使用的是MTV架構(gòu)，即Model、Template和View。其中Model負責(zé)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)存儲，通過Modle可以輕松實現(xiàn)網(wǎng)站和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互；Template下存放html文件，即前端網(wǎng)頁的內(nèi)容，其和負責(zé)網(wǎng)頁顯示樣式的css文件以及負責(zé)網(wǎng)頁邏輯功能的js文件共同構(gòu)成一個完整的前端網(wǎng)頁；View負責(zé)對數(shù)據(jù)的邏輯處理，負責(zé)實現(xiàn)前端網(wǎng)頁的跳轉(zhuǎn)和用戶命令的接收、處理以及結(jié)果的反饋。

車輛狀態(tài)參數(shù)獲取功能測試界面用于創(chuàng)建所要獲取的車輛狀態(tài)參數(shù)，以及實時顯示車輛的各種狀態(tài)。用戶創(chuàng)建好CAN通訊配置信息以及需要讀取的車輛狀態(tài)參數(shù)后，系統(tǒng)將各狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)識符以及讀取車輛狀態(tài)的命令等信息發(fā)送至云端數(shù)據(jù)庫中，由TCP服務(wù)器程序監(jiān)測并轉(zhuǎn)發(fā)至現(xiàn)場測試終端。

5 系統(tǒng)功能測試與驗證

為了檢測狀態(tài)參數(shù)獲取功能測試模塊的實際效果，可以通過硬件在環(huán)仿真測試平臺模擬駕駛員的操作，改變車輛的狀態(tài)參數(shù)，然后在遠程測試界面創(chuàng)建將要獲取的車輛狀態(tài)參數(shù)，通過該遠程測試系統(tǒng)讀取模擬的車輛狀態(tài)信息，對比模擬的車輛狀態(tài)和遠程測試界面實際獲取的車輛狀態(tài)，從而判斷狀態(tài)參數(shù)獲取功能測試模塊是否滿足要求。

通過硬件在環(huán)仿真測試平臺中的仿真模型設(shè)置車輛的狀態(tài)參數(shù)，包括右后門玻璃升降開關(guān)狀態(tài)、外后視鏡鏡片方向調(diào)節(jié)開關(guān)、中控鎖開關(guān)、遙控鑰匙命令、左后門玻璃升降開關(guān)狀態(tài)等，見表3。

表3 硬件在環(huán)仿真測試平臺模擬的車輛狀態(tài)信息Tab.3 Vehicle status information simulated by the hardware inthe－loop simulation test platform

在客戶端進入狀態(tài)參數(shù)獲取功能測試模塊，創(chuàng)建需要讀取的車輛狀態(tài)，測試完成后，現(xiàn)場測試終端顯示測試結(jié)果，與表3中硬件在環(huán)仿真測試平臺模擬的車輛狀態(tài)進行對比，結(jié)果一致，表明現(xiàn)場測試終端可以實現(xiàn)對硬件在環(huán)仿真測試平臺中的整車控制器進行測試，現(xiàn)場測試終端獲取狀態(tài)參數(shù)功能正常。

現(xiàn)場測試終端接收到車輛狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)后也會立即上傳至云端服務(wù)器，遠程客戶端實時讀取狀態(tài)信息并顯示，顯示結(jié)果與表3一致，表明遠程客戶端與現(xiàn)場測試終端之間的通訊以及數(shù)據(jù)解析正常。綜上，該遠程測試系統(tǒng)具備實時查詢車輛狀態(tài)參數(shù)的功能，可以實現(xiàn)對整車控制器的車輛狀態(tài)信息獲取功能的測試。

6 結(jié)束語

為了打破地域限制，充分利用硬件在環(huán)仿真測試平臺設(shè)備，讓更多的人更方便地參與汽車控制器的開發(fā)，從而縮短汽車控制器的開發(fā)時間，本文詳細設(shè)計了一種整車控制系統(tǒng)硬件在環(huán)遠程測試系統(tǒng)。該遠程測試系統(tǒng)主要由遠程網(wǎng)頁客戶端、云端服務(wù)器、現(xiàn)場測試終端和硬件在環(huán)仿真測試平臺構(gòu)成，主要實現(xiàn)的功能是遠程對整車控制器進行車輛狀態(tài)參數(shù)獲取功能測試。現(xiàn)場測試終端通過創(chuàng)建QT應(yīng)用程序使得操作更加方便，測試過程更加清晰。

未來工作中，考慮遠程下載控制器的控制策略程序到在環(huán)仿真系統(tǒng)中，對控制器參數(shù)進行標(biāo)定等展開更加深入的研究。