HIL测试技术在电控单元开发流程中的应用

本文分析了使用HIL测试技术对ECU进行功能性测试的必要性与优势。通过应用实例着重介绍了两种基于HIL的ECU测试类型，即单个ECU功能测试和ECU网络测试，并讨论了HIL在国内的应用与发展。

V模式开发流程

V模式开发流程是现代最重要的开发方法之一，在这套开发流程中大量使用了计算机辅助控制系统设计（CACSD：Computer-Aided Control System Design）。计算机辅助控制系统设计不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真，还包括实时快速控制原型、产品代码生成和硬件在回路的测试（如图1所示）。这是一个完整的流线型的控制系统开发步骤。

图1 V模式的开发流程

硬件在回路测试

在上述环节中硬件在回路（HIL）测试中承担了重要的任务，其实质是一套与电子控制器真实连接的测试系统，用于检测汽车电子控制器大部分功能性故障。

由于总线技术的发展与成熟，现在汽车已经通过网络实现分布式控制功能。而各个ECU之间的交互作用增加，例如共享传感器、计算信息和执行器等。同时，网络支持多种总线系统(CAN、LIN、MOST、FlexRay)，并且对于大多数的整车厂或系统供应商而言，网络中的ECU大部分由不同的厂商提供，这些又都可能成为潜在错误来源(存在产品召回的风险)。

综上所述，由于汽车技术的迅速发展，电控单元（ECU)的复杂程度快速增加，控制算法与功能不断增强，对整车而言还集成了各种总线通信功能、在线故障诊断(OBD)等功能。传统的检测方法面对复杂的测试需求开始显得力不从心，而在国外各大汽车厂商流行的HIL测试环节中，HIL设备正逐步满足更复杂的测试需求。

一、两种主要的基于HIL的ECU测试类型

1、单个ECU功能测试

一个ECU开发完成后，必须对其功能进行全面的测试。现在由于控制系统所完成功能的日渐复杂性，对其进行全面综合的测试，特别是故障情况和极限条件下的测试就显得尤为重要。如果用实际的控制对象进行测试，很多情况是无法实现的，或要付出高昂的代价；但如果用计算机辅助设计工具对被控对象进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试，特别是故障和极限条件下的测试。

对单个ECU的功能测试包括软件功能集成测试和验收与发布测试。图2显示了利用HIL环境对变速箱ECU（TCU）进行的功能测试。在HIL测试环境的搭建中，我们使用dSPACE的实时控制仿真平台作为实时环境的硬件载体，在MATLAB/SIMULINK中来建立变速箱模型、液力变矩器模型、发动机模型、整车底盘模型以及路面模型等被控对象模型。在通过MATLAB产品家族中的自动代码生成工具（RTW）将上述模型转化为实时代码下载至模拟器设备中的处理器板卡后，即可完成HIL测试环境的搭建。 [p]

图2 变速箱ECU开发的HIL测试

首先TCU通过模拟器中专用I/O板卡获取车辆模型发出的状态信号，如发动机转速、变速箱输入与输出转速、发动机油温、换档手柄状态、变速箱档位等，TCU基于这些信号发出对变速箱模型的控制信号，例如换档控制信号、离合器控制信号等。同样，通过模拟器中专用的I/O板卡完成对这些控制信号的采集后，车辆模型将根据控制信号进行状态的更新，模拟车辆的被控动作。

在上述过程中，通过信号调理模块或外围驱动电路模块，模拟器还可以集成一些传感器或执行器，所以对于一些关键部件模型我们可以采用真实部件取代，例如手柄部件油门踏板，刹车踏板等。同时，可通过模拟器的标准硬件集成相应的诊断或标定工具。

对于功能测试，我们可以通过操作车辆模型模拟平稳加速状态、急加速急减速状态、坡道状态、软件故障状态,甚至一些在现实中很难出现的极端行驶状态，从而测试和评估TCU的控制效果。另外，还可通过模拟器的故障注入单元模拟大量的硬件故障，如传感器输入的开路、短路等，进一步检测TCU的诊断功能。模拟器与TCU之间的接口如图3所示。

图3 模拟器与控制器的接口

面对传统的测试流程，HIL测试环境提供了自动检测的可能性。在上述案例中，我们可通过dSPACE的自动测试软件AutomationDesk完成对上述检测功能的全部操作，并且可生成相应的自动测试报告。这些都大大提高了测试工程师的测试效率。

2、测试ECU网络、节点分布式功能

ECU网络测试包括网络中各ECU的“相互作用”，如总线上的相互行为、网络管理、功率消耗、系统集成等。目前，大多汽车中集成了诊断与标定、动力传动控制、底盘控制（ABS、ESP、ASR）、安全气囊、车身电子控制、座位调节、电动后视镜、汽车导航、汽车娱乐媒体等功能，这使得网络功能更复杂、更强大。各个ECU必须基于总线技术（如CAN总线）进行信息传递，资源共享。如图4所示，整个汽车网络可以分为3类速率不同的网络。同一速率的网络中每个ECU有控制信号通信，不同速率的网络中的ECU也有通信，整个网络中所有ECU形成一个整体，互相影响，一个ECU的功能出错会影响其他ECU的工作，甚至会引起整个网络的崩溃。

图4 车身网络拓朴图

单个ECU的一部分功能错误已在开发阶段检测出来，但还有很多错误必须在一个集成的系统中才能被检测出来，因此对ECU网络的测试更重要、更复杂。现在流行的虚拟车辆环境可以对ECU网络进行测试，而这实质就是HIL测试。特别对于整车厂而言，对于一套网络系统的各个ECU可以交给供应商开发，最后必须进行所有ECU集成的测试。在传统方法中，常常采用手动方法在测试台架上或使用原型车辆来对ECU 进行测试。这种测试方法没有或有限的自动操作，没有或有限的可重用性，难以处理ECU不同的变型，并且不能自动生成测试报告。 [p]

如图5所示，在HIL测试环境中对ECU网络进行测试，除可以进行自动化测试外，还具有很高的可重复性，并且可方便地重现出车辆（总线）中的大量故障。

图5 用于ECU网络注测试的HIL台架

HIL测试环境可以测量所有的电气信号，包括总线信号 、测试网络负载、网络容错能力等；可分阶段地进行系统测试（对未开发好的ECU进行总线仿真），并且能在不同ECU变型结构之间快速切换。

上述的HIL测试环境同样是基于dSPACE的模拟器设备，由于这种设备的可扩展性，它可以灵活地配置大量的输入与输出通道（I/O，模拟量，PWM）、信号调理模块、驱动电路模块、电源管理、通信接口（CAN、LIN、FlexRay等）、负载模块和故障模拟模块等。

图6所示为一个对ECU网络测试的具体方案，其中主要有3台模拟器设备，第一台主要模拟动力传动模型，与发动机控制器、变速箱控制器等连接；第二台主要模拟车辆动力学模型、动力转向模型等；第三台模拟各种车辆通信部件模型。3台模拟器设备通过CAN总线和高速传输总线连接，其中CAN总线传输网络中各ECU的传递信息，高速传输总线传输各车辆模型的仿真计算数据；同时还有专门的CAN网络故障模拟器分别与各模拟器设备连接；最后所有模拟器和故障模拟器通过专门的信号接口与PC总控制台连接，实现模拟器的模型下载、故障类型设置、信号采集、在线调参等。这样基于虚拟车辆，通过确定测试需求，制定测试流程，我们可以对整个ECU网络进行测试。

图6 ECU网络测试的具体方案

HIL测试技术的展望

HIL测试可以为ECU的控制算法及功能开发提供良好的闭环开发环境，为开发成果转化成产品提供有效支持。零部件供应商通过HIL测试系统可以快速开发与完善ECU控制功能；整车厂可以利用HIL测试系统对单个ECU进行功能测试，故障排除，更重要的是对集成多个ECU的网络进行测试，完善所设计的系统产品。

而开发经验的积累，开发流程的细化与规范，各种控制学科的支持，应用环境与各种法规的完善制定，都为HIL测试技术的完善与规范提供良好的基础与必要的支持。目前，国内许多汽车企业，如一汽技术中心、一汽大众、东风汽车等在恒润科技的技术支持下，成功应用HIL测试进行ECU及网络的开发和测试，并已取得满意的效果。(end)