HIL測試技術在汽車ECU開發流程中的應用

1、V模式開發流程

V模式開發流程是現代最重要的開發方法，在這套開發流程中大量使用了計算機輔助控制系統設計（CACSD：Computer-Aided Control System Design）。計算機輔助控制系統設計不僅僅是進行控制方案的設計和離線仿真，還包括實時快速控制原型、產品代碼生成和硬件在回路測試，如圖1.1。這是一個完整的流線型的控制系統開發步驟。

1-1 V模式的開發流程

2、硬件在回路測試（HIL）

在上述環節中硬件在回路（HIL）測試承擔了重要的任務，其實質是一套與電子控制器真實連接的測試系統，用于檢測汽車電子控制器大部分功能性故障。

由于總線技術的發展與成熟，現在汽車已經通過網絡實現分布式控制功能。而各個ECU之間的交互作用增加，例如共享傳感器、計算信息和執行器等。同時，網絡支持多種總線系統(CAN、LIN、MOST、FlexRay)，并且對于大多數的整車廠或系統供應商而言，網絡中的ECU大部分由不同的廠商提供，這些都又可能成為潛在錯誤來源(存在產品召回的風險)。

綜上所述，由于汽車技術快速發展，電控單元（ECU)的復雜程度快速增加，控制算法與功能不斷增強，對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。傳統的檢測方法面對復雜的測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測試環節中，HIL設備正逐步滿足更為復雜的測試需求。

2.1、兩種主要的基于HIL的ECU測試類型

2.1.1、單個ECU功能測試

一個ECU開發完成后，必須對其功能進行全面的測試。現在由于控制系統所完成功能的日漸復雜性，對其進行全面綜合的測試，特別是故障情況和極限條件下測試就顯得尤為重要。但如果用實際的控制對象進行測試，很多情況是無法實現的，或要付出高昂的代價，但如果用計算機輔助設計工具對被控對2.1 變速箱ECU開發的HIL測試象進行實時仿真，就可以進行各種條件下的測試，特別是故障和極限條件下的測試。

對單個ECU的功能測試包括軟件功能集成測試，驗收與發布測試。如圖2.1顯示了利用HIL環境對變速箱ECU（TCU）進行的功能測試。在HIL測試環境的搭建中，我們使用dSPACE的實時控制仿真平臺（Simulator設備）作為實時環境的硬件載體，在MATLAB/SIMULINK中來建立變速箱模型、液力變矩器模型、發動機模型、整車底盤模型與路面模型等被控對象模型。在通過MATLAB產品家族中的自動代碼生成工具（RTW）將上述模型轉化為實時代碼下載至Simulator設備中的處理器板卡后，即可完成HIL測試環境的搭建。

首先TCU通過Simulator中專用I/O板卡獲取車輛模型發出的狀態信號，如發動機轉速、變速箱輸入與輸出轉速、發動機油溫、換檔手柄狀態、變速箱檔位等，TCU基于這些信號發出對變速箱模型的控制信號，例如換檔控制信號、離合器控制信號等。同樣，通過Simulator中專用I/O板卡完成對這些控制信號的采集后，車輛模型將根據控制信號進行狀態的更新，模擬車輛的被控動作。

在上述過程中，通過信號調理模塊或外圍驅動電路模塊，Simulator還可以集成一些傳感器或執行器，所以對于一些關鍵部件模型我們可以采取真實部件取代，例如手柄部件油門踏板，剎車踏板等。同時，可通過Simulator的標準硬件集成相應的診斷或標定工具。

對于功能測試，我們可以通過操作車輛模型模擬平穩加速狀態、急加速急減速狀態、坡道狀態、軟件故障狀態,甚至一些在現實中很難出現的極端行駛狀態，從而測試與評估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，進一步檢測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

面對傳統的測試流程，HIL測試環境提供了自動檢測的可能性。在上述案例中，我們可通過dSPACE的自動測試軟件AutomationDesk完成對上述檢測功能的全部操作，并且可生成相應的自動測試報告。這些都大大提高了測試工程師的測試效率。

2.2.2、測試ECU網絡、節點分布式功能

ECU網絡測試包括網絡中各ECU的“相互作用”，如總線上的相互行為、網絡管理、功率消耗、系統集成等。目前，大多汽車中集成了診斷與標定，動力傳動控制，底盤控制（ABS、ESP、ASR）,安全氣囊，車身電子控制，座位調節，電動后視鏡，汽車導航，汽車娛樂媒體等功能，這使得網絡功能很復

2-3 車身網絡拓樸圖

雜與強大。各個ECU必須基于總線技術（如CAN總線）進行信息傳遞，資源共享。如圖2－3，整個汽車網絡可以分為速率不同的網絡。同一速率的網絡中每個ECU有控制信號通訊，不同速率的網絡中的ECU也有通訊，整個網絡中所有ECU形成一個整體，互相影響，一個ECU的功能出錯會影響其他ECU的工作，甚至會引起整個網絡的崩潰。

單個ECU的一部分功能錯誤已在開發階段檢測出來，但還有很多錯誤必須在一個集成的系統中才能被檢測出來；因此對ECU網絡的測試更為重要，更復雜。現在流行的虛擬車輛環境可以對ECU網絡進行測試，而這實質就是HIL測試。特別對于整車廠而言，對于一套網絡系統的各個ECU可以交給供應商開發，最后必須進行所有ECU集成的測試。在傳統方法中，常常采用手動方法在測試臺架上或使用原型車輛來對ECU 進行測試。這種測試方法沒有或有限的自動操作，沒有或有限的可重用性，難以處理ECU不同的變型，并且不能自動生成測試報告。

如圖2.4，在HIL測試環境中對ECU網絡進行測試，除可以進行自動化測試外，具有很高的可重復性。并且可方便的重現出車輛（總線）中的大量故障。

HIL測試環境可以測量所有的電氣信號，包括總線信號 、測試網絡負載、網絡容錯能力等；可分階段地進行系統測試（對未開發好的ECU進行總線仿真），并且能在不同ECU變型結構之間快速切換。

2-4 用于ECU網絡測試的HIL臺架

上述的HIL測試環境同樣是基于dSPACE的Simulator設備，由于這種設備的可擴展性，它可以靈活的配置大量的輸入與輸出通道（I/O，模擬量，PWM）、信號調理模塊、驅動電路模塊、電源管理、通訊接口（CAN、LIN、FlexRay等）、負載模塊和故障模擬模塊等。

圖2.5為一個對ECU網絡測試的具體方案，其中主要有三臺 Simulator設備，其中第一臺主要模擬動力傳動模型，與發動機控制器、變速箱控制器等連接，同理第二臺主要模擬車輛動力學模型、動力轉向模型等，第三臺模擬各種車輛通訊部件模型。三臺Simulator設備通過CAN總線和高速傳輸總線連接，其中CAN總線傳輸網絡中各ECU的傳遞信息，高速傳輸總線傳輸各車輛模型的仿真計算數據；同時還有專門的CAN網絡故障模擬器分別與各Simulator設備連接；最后所有Simulator和故障模擬器通過專門的信號接口與PC總控制臺連接，實現Simulator的模型下載、故障類型設置、信號采集、在線調參等。這樣基于虛擬車輛，通過確定測試需求，制定測試流程，我們可以對整個ECU網絡進行測試。

圖2.5 ECU網絡測試的具體方案

3、HIL測試技術的展望

HIL測試可以為ECU的控制算法及功能開發提供良好的閉環開發環境，為開發成果轉化成產品提供有效支持。零部件供應商通過HIL測試系統可以快速開發與完善ECU控制功能；整車廠可以利用HIL測試系統對單個ECU進行功能測試，故障排除，更重要是對集成多個ECU的網絡進行測試，完善所設計的系統產品。

而開發經驗的積累，開發流程的細化與規范，各種控制學科的支持，應用環境與各種法規的完善制定，都為HIL測試技術的完善與規范提供良好的基礎與必要的支持。目前，國內許多汽車企業，如一汽技術中心、一汽大眾、東風有限等已在恒潤科技的技術支持下，成功應用HIL測試進行ECU及網絡的開發和測試，并取得滿意的效果。