整車電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試技術(shù)研究

呂 峰，歐增開

（東風(fēng)柳州汽車有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545005）

近年來，國內(nèi)自主品牌企業(yè)在整車電控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計方面投入了很多資金和人員力量，并且配備自主開發(fā)的控制器的車型也陸續(xù)上市。但從研發(fā)設(shè)計到實車測試驗證階段，整體來說還不具備較完善的測試環(huán)境和測試流程，尤其是控制器控制策略及故障診斷策略的測試驗證方面，還處于簡單的車身臺架及手動測試階段。這種模式只能對常規(guī)的邏輯類功能進(jìn)行驗證，不能覆蓋到包括復(fù)雜交互式性能、故障 （電器、功能）注入、極限工況以及對時間參數(shù)有嚴(yán)格要求的邏輯功能測試，況且這些工況在實車測試環(huán)節(jié)中也未必能遇到。由于測試環(huán)節(jié)的不夠完善，導(dǎo)致上市的車輛會存在沒有及時發(fā)現(xiàn)的潛在問題［1］，因此自主企業(yè)針對電控單元的研發(fā)、測試及驗證過程，建立先進(jìn)的測試環(huán)境條件以及完善的測試流程至關(guān)重要，本文針對某車型整車電控系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)測試的方案原理及測試流程進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)測試需求分析

某車型的整車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。整個測試過程需要搭建系統(tǒng)硬件在環(huán) （HIL）仿真測試環(huán)境，基于該平臺環(huán)境，實現(xiàn)對整車系統(tǒng)電器系統(tǒng)的功能策略進(jìn)行驗證測試，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜測試，對被控對象進(jìn)行工況模擬，實現(xiàn)電控系統(tǒng)的故障模式注入 （電器故障和功能故障）及診斷測試。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計需求

系統(tǒng)硬件設(shè)計需求分析是搭建HIL測試環(huán)境的前提。需要根據(jù)以下設(shè)計輸入 （客戶及供應(yīng)商提供）對HIL系統(tǒng)進(jìn)行電器接口配置設(shè)計:①整車電氣原理圖；②電控單元引腳定義；③電控單元輸入輸出接口電路；④電控單元傳感器特性參數(shù)；⑤電控單元執(zhí)行機構(gòu)特性參數(shù)；⑥電控單元插接件及連接線束；⑦執(zhí)行機構(gòu)插接件及連接線束；⑧整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠x；⑨整車網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)庫 （dbc文件和ldf文件）；⑩診斷協(xié)議及診斷數(shù)據(jù)庫 （cdd文件）；11故障碼列表及故障注入方式。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計需求

系統(tǒng)軟件設(shè)計需求主要是基于用戶需求、被測對象功能測試需求分析基礎(chǔ)之上，確定測試管理Layout、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析環(huán)境、系統(tǒng)測試控制軟件界面以及自動化測試環(huán)境等。

1.3 系統(tǒng)建模設(shè)計需求

HIL系統(tǒng)功能測試除了搭建系統(tǒng)硬件環(huán)境，即滿足電控單元所需的整車電氣環(huán)境、測試軟件管理環(huán)境之外，還需要搭建整車系統(tǒng)運行環(huán)境，需要構(gòu)建發(fā)動機系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、車輛動力學(xué)系統(tǒng)、道路環(huán)境及駕駛員模型等車輛運行環(huán)境模型。

2 系統(tǒng)測試實施

2.1 系統(tǒng)測試平臺概述

HIL測試系統(tǒng)主要包括硬件仿真平臺 （dSPA-CE Simulator和測試臺架）、實時仿真ASM模型以及測試管理軟件 （控制臺操作界面）等幾部分。

2.1.1 硬件仿真平臺Simulator

硬件仿真平臺采用的是德國dSPACE Simulat-or，該平臺主要用于和真實電控單元進(jìn)行電氣連接及通信，提供控制器所需的各種傳感器輸入信號，并接受控制器發(fā)出的各種控制信號，反饋給車輛模型進(jìn)行計算仿真，同時可以產(chǎn)生 （模擬）各種故障用于故障工況仿真。

2.1.2 實時仿真模型

實時仿真模型包括IO模型和車輛模型，IO模型主要負(fù)責(zé)把傳感器等的物理信號通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到電氣信號值，同時把采集到的電氣信號值通過轉(zhuǎn)換關(guān)系得到物理值；車輛模型包括發(fā)動機、傳動系（包括變速器和差速器等）、車輛動力學(xué)以及道路環(huán)境模型。圖2為實時仿真模型外層基本框架。

通過ModelDesk利用提供的發(fā)動機、變速器等車輛參數(shù)對車輛模型進(jìn)行參數(shù)化，使實時仿真模型能夠正確模擬車輛運動，被控對象能夠及時準(zhǔn)確響應(yīng)控制器的控制動作并把運動狀態(tài)反饋給控制器。

2.1.3 系統(tǒng)測試控制管理

利用ControlDesk測試管理軟件創(chuàng)建圖形化界面（圖3），對整個測試過程進(jìn)行控制和管理，能夠進(jìn)行硬件管理、虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、變量及參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行模型的下載［2］。

基于AutomationDesk自動化測試管理平臺，按照測試規(guī)范，編制相應(yīng)的測試序列，實現(xiàn)測試用例的實現(xiàn)及自動化測試腳本開發(fā)，并形成測試報告。

2.2 測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)硬件接口配置

根據(jù)控制器的引腳功能定義、傳感器與驅(qū)動器的電氣特性，對HIL測試系統(tǒng)進(jìn)行I／O通道的建立與配置管理，并且根據(jù)客戶的需求完善系統(tǒng)配置。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計測試系統(tǒng)的信號列表Signal List，該信號列表全面地反映了HIL測試系統(tǒng)的功能配置，并根據(jù)需求與定義，完善此列表。主要工作如下:①控制器相關(guān)板卡配置；②控制器與仿真柜的硬線連接；③dSPACE相關(guān)實時系統(tǒng)軟件配置；④I／O模型配置與映射；⑤傳感器及執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)匹配；⑥集成CANLIN通信模型。

2.2.2 試驗管理Layout設(shè)計

試驗管理Layout設(shè)計主要是實現(xiàn)一個比較友好的人機界面，方便用戶進(jìn)行測試、分析、統(tǒng)計、查看等一系列測試管理工作?；贑ontrolDesk試驗管理軟件，設(shè)計測試界面Layout，主要包括以下幾個部 分［3］:①系 統(tǒng) 基 本 控制窗口；②傳感器輸入信號模擬窗口；③執(zhí)行器輸出信號采集窗口；④數(shù)據(jù)分析窗口；⑤總線數(shù)據(jù)顯示窗口；⑥圖標(biāo)界面顯示窗口。

2.2.3 傳感器信號標(biāo)定測試

通過界面控制，對測試機柜的傳感器仿真信號進(jìn)行模擬，結(jié)合標(biāo)定工具CANape或INCA對傳感器信號進(jìn)行采集測試，并進(jìn)行標(biāo)定和確認(rèn)。

2.2.4 執(zhí)行器信號標(biāo)定測試

需要對執(zhí)行器的驅(qū)動負(fù)載進(jìn)行模擬或采用實際負(fù)載，結(jié)合標(biāo)定工具CANape或INCA對執(zhí)行器的驅(qū)動信號進(jìn)行測試，并進(jìn)行標(biāo)定和確認(rèn)。

2.2.5 測試臺架安裝與調(diào)試

對預(yù)先設(shè)計好的方案進(jìn)行臺架樣件安裝以及線束連接，然后對臺架進(jìn)行調(diào)試以及信號激勵測試，確保各個信號準(zhǔn)確有效性，最后進(jìn)行系統(tǒng)臺架系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

2.3 測試矩陣規(guī)范設(shè)計

測試矩陣規(guī)范是進(jìn)行測試用例設(shè)計的依據(jù)，包含整個測試內(nèi)容的系統(tǒng)功能劃分、測試項和測試用例條目的概述、需求映射關(guān)系、測試執(zhí)行情況的跟蹤等；測試矩陣中根據(jù)測試方案及控制器功能特征、危險等級、用戶體驗、供應(yīng)商能力、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)等制定各個功能項的安全等級及測試深度。

2.4 測試用例設(shè)計

測試用例設(shè)計是測試實施的依據(jù)，根據(jù)測試方案和測試矩陣開發(fā)具體的測試指導(dǎo)文件，每條測試用例包括用例ID、用例名稱、初始條件、測試步驟、期望結(jié)果和測試結(jié)果。每一用例名稱代表一個測試點并且擁有惟一ID。通過使用測試ID，有利于測試活動的可追溯性，便于測試管理。

2.5 自動化測試腳本開發(fā)

根據(jù)測試需求和控制器功能規(guī)范，基于自動化測試軟件環(huán)境，按照測試要求組織測試序列，開發(fā)測試腳本，主要針對一些流程性或?qū)崟r性測試方面的測試用例。自動化測試開發(fā)采用離線測試和在線測試相結(jié)合的方法，提高測試工作效率。

2.6 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試

2.6.1 CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試

CAN網(wǎng)絡(luò)通信測試主要是根據(jù)特定的整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D （或dbc文件），為待測電控單元建立網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，進(jìn)行殘余總線仿真，通過專用CAN配置工具RTICANMM來實現(xiàn)。基于HIL實時測試平臺，可以進(jìn)行以下測試:①報文ID；②報文長度；③報文傳輸率；④支持ECU本身節(jié)點BUS OFF；⑤CHK確認(rèn) （報文中包含CHK信息）；⑥計數(shù)器確認(rèn) （報文中包含計數(shù)器信息）；⑦總線負(fù)載率確認(rèn) （Bus navigator中可觀測總線負(fù)載率）。

為了對整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行完整的測試和仿真，需要將網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備與硬件在環(huán)測試設(shè)備一起協(xié)同工作，如Vector公司的CANStress或CANoe等。

2.6.2 LIN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點仿真測試

LIN網(wǎng)絡(luò)通信測試主要根據(jù)LIN網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)庫（ldf文件），為待測電控單元建立網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，進(jìn)行LIN總線節(jié)點的仿真測試，通過專用的LIN配置工具RTILINMM來實現(xiàn)。

2.7 系統(tǒng)功能測試

要能夠完整地驗證系統(tǒng)的功能策略，需要利用硬件在環(huán)系統(tǒng)使控制器在一個可控的虛擬環(huán)境下進(jìn)行各種功能性及分布式功能測試，以確定目前的控制策略功能可以完全滿足用戶的需求。

具體的功能測試需要供應(yīng)商提供相關(guān)的功能規(guī)范及控制策略。依據(jù)功能控制策略，編寫測試用例，在Controldesk或AutomationDesk環(huán)境下實現(xiàn)控制器的系統(tǒng)功能測試。

2.8 故障注入及診斷測試

系統(tǒng)的診斷功能測試，主要分為以下2個層次。

1）電器硬件故障診斷測試。硬件故障又分為傳感器故障診斷和執(zhí)行器故障診斷。通過故障注入模塊可產(chǎn)生如下的電氣錯誤類型:開路、對電源短路 （KL30）、對點火起動電源短路 （KL15）、 搭鐵短路 （KL31）、信號線短路、信號不良、信號線互相短路。

2）系統(tǒng)功能故障診斷測試。系統(tǒng)的功能性故障診斷測試，需要獲取控制器的診斷策略，通常這些是供應(yīng)商或主機廠的技術(shù)核心，需要雙方協(xié)商一起來實現(xiàn)這部分的診斷測試。

2.9 系統(tǒng)測試及自動化

系統(tǒng)自動化測試是在HIL系統(tǒng)基礎(chǔ)測試的基礎(chǔ)上，基于AutomationDesk環(huán)境，開發(fā)測試序列，并結(jié)合相關(guān)診斷工具、標(biāo)定工具，對系統(tǒng)功能、診斷策略、網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行自動化測試，測試完成形成測試報告。

3 結(jié)束語

硬件在環(huán)測試具有傳統(tǒng)實車測試中不可比擬的優(yōu)點［4］，從安全性、可行性和合理的成本上考慮，硬件在環(huán)仿真測試已經(jīng)成為汽車廠開發(fā)流程中非常重要的一環(huán)，不僅減少了實車路試的次數(shù)，縮短開發(fā)時間和降低成本，同時還提高電控ECU的軟件品質(zhì)， 降低汽車廠的風(fēng)險［5］。

［1］雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE_MATLAB_Simulink平臺的實時仿真技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2005 （3）:13-17.

［2］Susanne Kohl， Dirk Jegminat.How to Do Hardware-in-the-Loop Simulation Right［J］.SAE Paper.2005 （1）:1657.

［3］李幼德，劉巍，李靜，等.汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真［J］.吉林大學(xué)學(xué)報， 2007 （4）:3-6.

［4］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.

［5］范瑩.基于dSPACE的列控車載控制器測試方法的研究（碩士學(xué)位論文）［D］.北京:北京交通大學(xué)，2012.