基于V模式的整車控制系統(tǒng)開發(fā)及模型單元測試

田 真，張曼雪，董婷婷，郭永斌，金啟前，趙福全

（吉利汽車研究院，浙江，杭州 311228）

傳統(tǒng)的開發(fā)模式存在很多缺點，如開發(fā)人員間信息交流以文檔為基礎(chǔ)、代碼手寫、修訂錯誤較困難且代價較大。為了提高產(chǎn)品開發(fā)的效率，同時也減輕工程師的工作量，整車控制系統(tǒng)開發(fā)提出了V模式的開發(fā)流程。該流程的主要特點是開發(fā)、編程和測試，總是在同一環(huán)境下工作，整個開發(fā)過程都可以得到驗證。使用該模式可以加速和簡化開發(fā)流程，實時修訂開發(fā)過程中出現(xiàn)的錯誤。

模型單元測試在V模式的最初階段，對各個模塊的功能進行驗證。本文對某新能源車型整車控制系統(tǒng)仿真模型的核心功能模塊進行分析，同時分析測試方法，并根據(jù)測試用例，對模塊功能進行單元測試及驗證。

1 基于V模式的控制系統(tǒng)開發(fā)流程[1]

整車控制系統(tǒng)的V模式開發(fā)流程，主要包括控制方案的設(shè)計、離線仿真、快速控制原型、產(chǎn)品代碼生成、硬件在環(huán)仿真測試和標定，如圖1所示。

1.1 離線仿真階段

（1）建立對象數(shù)學模型。

（2）設(shè)計控制方案。

（3）以Matlab[2]為平臺建立模型并進行仿真分析。

1.2 快速控制原型階段

（1）保留需要下載到dSPACE中的模塊。

（2）用硬件接口關(guān)系代替原來的邏輯連接。

（3）對I/O進行配置。

1.3 代碼生成階段

（1）自動生成代碼。

（2）自動下載到整車控制器硬件系統(tǒng)中。

1.4 硬件在環(huán)（HIL）仿真

硬件在環(huán)（Hardware-in-loop，HIL）即指由硬件控制器與模擬器之間形成一個以數(shù)據(jù)、信號進行交流的閉環(huán)測試系統(tǒng)。通過虛擬的整車駕駛環(huán)境的建立，與實際的控制器硬件之間建立循環(huán)系統(tǒng)，測試該控制器在虛擬環(huán)境下的各種功能。

1.5 標定

基于CAN總線的標定協(xié)議(CAN Calibration Protocol，CCP)是一個連接開發(fā)工具和ECU的軟件接口協(xié)議,該協(xié)議定義了模塊標定、數(shù)據(jù)采集和存取flash中運行數(shù)據(jù)的方法,在電池管理系統(tǒng)中，可以利用CCP實現(xiàn)以下功能。

（1）實時在線測試。

（2）各傳感器檢測和標定。

（3）報警或出錯值的調(diào)整。

（4）程序下載。

2 模型單元測試

單元測試的對象是模型的最小單位——模塊。單元測試應對模塊中所有的功能設(shè)置測試用例，對覆蓋度不足的測試用例進行補充及測試，校核單元測試結(jié)果，評估測試結(jié)果的正確性。通過單元測試用例，可以保證所建模型功能達到預期的運行結(jié)果。

以整車的轉(zhuǎn)矩管理模塊為例，其功能是將轉(zhuǎn)矩分配給發(fā)動機、發(fā)電機和電動機[3]，對于純電動車型，此模塊決定如何對電機的轉(zhuǎn)矩輸出進行分配。因此有關(guān)的轉(zhuǎn)矩管理器子模塊決定了整車轉(zhuǎn)矩的分布，細分為運行模式判定、轉(zhuǎn)矩輸出管理等子模塊。單元測試針對最低層次的細分功能模塊進行測試及功能驗證。

本文以轉(zhuǎn)矩管理模塊中的TED子模塊為例，進行單元測試的舉例說明。TED為純電動模式轉(zhuǎn)矩模塊,其功能目標為以下兩點。

（1）如果純電動（state Electric Drive）使能，驅(qū)動電機為唯一車輛驅(qū)動裝置。

（2）發(fā)動機和ISG電機轉(zhuǎn)矩目標值為0，驅(qū)動目標轉(zhuǎn)矩發(fā)送至驅(qū)動電機控制-IPU。

在圖7所示的子模塊中，根據(jù)車輪處轉(zhuǎn)矩需求計算驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩值，同時轉(zhuǎn)矩的變化斜率受到限制。轉(zhuǎn)矩上升與下降的斜率限值對稱，在相應map中定義并可標定。電機轉(zhuǎn)矩限值可設(shè)為系統(tǒng)峰值限值或持續(xù)運行限值，并受限于加速踏板傳感器限制的車輪處轉(zhuǎn)矩需求值。

單元測試框架如圖8所示，包括測試信號輸入（simulate Input）、TED功能模塊（TST_TED_tqStateEdrive）、結(jié)果比較（compare Signals）和輸出信號確認（verify Signals）模塊。

（1）simulate Input模塊說明

simulate Input模塊輸入包含2組測試信號：Test Signals_R001/2，分別對應2組測試用例。通過switch中testcase選擇按照哪組測試用例進行測試。2組測試用例的輸入（testSig_Bus）均包含相同名稱的信號，并且信號分為兩部分，即包含所有的TED模塊的輸入信號和輸出目標信號。其中模塊的輸入信號部分輸入至TED功能模塊中作為功能模塊的輸入信號。

（2）TED功能模塊說明

此模塊應用了“模型引用”，對TED單元進行測試。“模型引用”方法適于獨立地進行單元測試。此模塊的輸出信號，即對應于輸入信號的功能模塊輸出結(jié)果，輸入至下一模塊進行結(jié)果對比分析。

（3）compare Signals模塊說明

此模塊為2個測試用例輸出結(jié)果的對比分析模塊，對testSig_Bus中設(shè)定的輸出目標結(jié)果與模型實際測試輸出結(jié)果進行對比，以測試模型單元的輸出是否符合預定的結(jié)果。

（4）verify Signals模塊說明

此模塊對測試過程進行確認，如果測試未通過則該模塊報錯，出錯原因可能是模塊本身有誤或測試用例設(shè)置不當，需要測試工程師排查錯誤。

2.1 TED-testcase 1結(jié)果分析

測試目標：驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩需求輸出正確。

模型輸出的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩需求值符合系統(tǒng)限值。當ted_bEmotSysPeakLimAcv_C（電機系統(tǒng)峰值限值標志位）標定為0時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限定在scm_tqEmotNormLL（驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩下限）～scm_tqEmotNormUL（驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩上限）之內(nèi)；當標定為1時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限定在scm_tqEmotPeakLL（驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩下限）～ scm_tqEmotPeakUL（驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩上限）之內(nèi)。此外，轉(zhuǎn)矩變化的斜率受限，斜率限值取決于前一個循環(huán)步長下由TMO（轉(zhuǎn)矩輸出管理）模塊輸出的電機轉(zhuǎn)矩需求的絕對值和車速。上升和下降斜率相等。根據(jù)模塊的功能定義，通過設(shè)定合適的模塊輸入值并進行仿真，監(jiān)控模型輸出結(jié)果的狀態(tài)并與期望的結(jié)果進行對比。

測試用例設(shè)置：

ted_bEmotSysPeakLimAcv_C（電機系統(tǒng)峰值限值標志位）設(shè)置為0，scm_tqEmotNormLL（電機轉(zhuǎn)矩下限），scm_tqEmotNormUL（電機轉(zhuǎn)矩上限）分別設(shè)為50 N·m、-50 N·m。

其余與本測試無關(guān)，可設(shè)為1。

輸出目標值（驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩需求）設(shè)定如下。

測試過程：運行模型，對結(jié)果的目標期望值（testSig_Bus-test-Sig_ted_tqEmotReq）與模型輸出值[testResult_Bus-ted_tqEmot Req（驅(qū)動電機需求轉(zhuǎn)矩）]進行對比，當模型測試的輸出值符合設(shè)定的期望結(jié)果值時，輸出result值恒為1；當模型測試的輸出值不符合設(shè)定的期望結(jié)果值時，輸出result值在0.5 s時從1變至0；在模型中對assertion模塊進行設(shè)置，信號驗證模型中的聲明模塊，判斷輸入信號是否為0，如果輸入信號全為非0值，該模塊不動作，當測試未通過時，即對應用例端口為0時，則中斷模擬并顯示錯誤信息。如圖11所示，測試通過。

2.2 TED-testcase 2測試分析

TED-Testcase2的基本信息如下。

測試目標：正確確定驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限值，即來自DTR模型的轉(zhuǎn)矩上下限值dtr_tqWhlByAccPSenUL（車輪處轉(zhuǎn)矩上限）、dtr_tqWhlByAccPSenLL（車輪處轉(zhuǎn)矩下限）需轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限值，并且電機轉(zhuǎn)矩的限值在系統(tǒng)限值scm_tqEmotPeakLL（驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩下限）～scm_tqEmotPeakUL（驅(qū)動電機峰值轉(zhuǎn)矩上限）、scm_tqEmotNormLL（驅(qū)動電機正常轉(zhuǎn)矩下限）～scm_tqEmotNormUL（驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩上限）之內(nèi)。當ted_bEmotSysPeakLimAcv_C（電機系統(tǒng)峰值限值標志位）標定為0時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限定在scm_tqEmotNormLL～scm_tqEmotNormUL之內(nèi)。

測試過程：對結(jié)果的目標期望值（test Sig_Bus-testSig_ted_tqEmotULtestSigted_TqEmotLL）分別與模型測試輸出（testResult_Bus-ted_tqEmotUL、ted_tqEmotLL）進行對比， 當對應值分別相等時，輸出result值恒為1，測試通過，否則測試未通過。在verify Signals模塊中對assertion模塊進行設(shè)置，當測試未通過時，則中斷模擬并顯示錯誤信息。

測試用例設(shè)置：設(shè)置的輸入?yún)?shù)數(shù)值如圖12所示，設(shè)置最大最小驅(qū)動電機限值、加速踏板最大最小轉(zhuǎn)矩需求和傳動比，其余數(shù)值對testcase2無影響，故可設(shè)置為1。

測試結(jié)果：測試結(jié)果如圖14所示，來自于DTR模型的轉(zhuǎn)矩上下限值 dtr_tqWhlByAccPSenUL、dtr_tqWhlByAcc-PSenLL（車輪處轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩限值為-100～25N·m，系統(tǒng)限值scm_tqEmotNormLL（驅(qū)動電機正常轉(zhuǎn)矩下限）～scm_tq-EmotNormUL（驅(qū)動電機正常轉(zhuǎn)矩上限）為-50～50N·m，因此期望的上下限值testSig_ted_tqEmotUL（TED模塊輸出的電機轉(zhuǎn)矩上限）、testSig_ted_tqEmotLL（TED輸出的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩下限）輸出結(jié)果設(shè)定為-50～25N·m。經(jīng)測試，模型測試輸出結(jié)果ted_tqEmotUL、ted_tqEmotLL與期望值相等，因此測試結(jié)果為1，測試通過。

上面兩個測試用例覆蓋需要測試的需求測試點，可以對模塊功能進行驗證。

表1 文中縮寫定義表

3 結(jié)論

本文結(jié)合純電動車的實例對基于V模式的開發(fā)流程進行了介紹，驗證了采用基于V模式的開發(fā)方式可以提高整車控制器的開發(fā)效率，同時減輕了工程師的工作量，并且保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和有效性。

單元測試在模型建立及仿真階段，通過測試對整車性能進行分析驗證，保證所建模型功能達到預期的運行結(jié)果以及下個階段的工作能夠順利進行。

[1]戴海峰，魏學哲，孫澤昌. V -模式及其在現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)開發(fā)中的應用[J].機電一體化，2006(6)：20-24.Dai Haifeng，Wei Xuezhe，Sun Zechang.V-mode and Its Application in Development of Modern Automabile Electronics Systems[J]. Mechatronics，2006(6)：20-24. (in Chinese)

[2]張志涌.精通MATLAB 6.5版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.Zhang Zhiyong. MATLAB 6.5[M]. Beijing：Beihang University Press，2003. (in Chinese)

[3]EHSANI M，Gao Yimin，EMADI A.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車——基本原理、理論和設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.EHSANI M，Gao Yimin，EMADI A. Modern Electric，Hybrid Electric Vehcles and Fuel Cell Vehicles—Basic Principles，Theory and Design[M]Beijing：China Machine Press，2010. (in Chinese)