作者 | 謙益行
出品 | 汽車電子與軟件
曾經從事軟件開發工作時，經常會與HIL測試打交道，有使用過HIL臺架進行軟件開發的測試驗證，也有過輔助測試同事來設計測試用例，以及驗收HIL臺架的仿真模型等內容。曾經從事ECU系統工作時，有幸深度參與過HIL臺架的需求定義；曾經也從事功能開發工作時，也深度思考過如何利用HIL臺架更好地進行功能的開發和驗證。因此，本文打算就個人對HIL臺架的認識和思考，稍作分享。
#01 為什么需要HIL臺架系統
首先第一個問題，為什么需要HIL臺架系統？這是因為從整車研發流程來看，不管是在整車的系統層級，或是ECU的系統層級，還是 ECU軟件層級，這些層級都有大量的設計開發內容。開發需要測試驗證這是毫無疑問的，關鍵點在于用什么樣的環境或設備來進行測試驗證。
這些測試驗證工作不可能都使用整車來進行，因為：
- 一是需求的整車數量巨大，成本巨高，耗時巨長；
- 二是開發的不同步，不管是在哪個級別都無法完全協調一致。
因此，在這樣的事實之下，各個層級都需要明確自己的測試需求，進而去構建各自的測試環境，也就是HIL臺架系統。
Source：電子控制單元（ECU）HIL測試 | HIL仿真
以ECU的系統層級為例，其主體是ECU，一方面需要驗證ECU與外界的信息交互功能，另一方需要驗證自身的產品功能和性能。
因此在這個層級進行ECU的系統測試，那么ECU應該具備下列的一些條件，在信號輸入方面有：
- 供電方面，是指電源和接地GND，比如KL30，KL15和KL31；
- 感知方面，是指各種傳感器信號，比如溫度、壓力和速度等，具體取決于ECU的用途；另外信號涵蓋模擬信號形式，數字信號形式，頻率信號形式以及協議形式等；
- 通訊方面，主要有CAN通訊、LIN通訊、以太網通訊和SPI通訊等。
在信號輸出方面有：
- 通訊方面，通訊與輸入的通訊方面一樣；
- 執行方面，主要指功率器件類、電磁閥類和電機類的控制。
也就說要進行完整的ECU的系統測試，這些條件都應該具備。而對于單獨的ECU而言，顯然很多信號的輸入和輸出都需要去構建，因此HIL臺架系統的需求就應運而生。
#02 如何定義HIL臺架系統
我們需要HIL臺架系統做什么，決定了我們如何去定義。不同層級對于HIL臺架系統的需求可能有所差異，但是在HIL臺架系統所具備的硬件配置是基本一致的。2.1 硬件能力
首先是根據ECU的Pin腳定義情況，確定HIL臺架的輸入和輸出能力，包括：
- 電源方面，HIL臺架系統需要提供足夠的電壓或功率能力，電壓范圍多少，功率范圍多少，載流能力多大。
- 輸入方面，HIL臺架系統需要提供足夠的輸入通道。比如模擬信號，數字信號和頻率信號的輸入通道數量分別是多少，電壓范圍是多少，頻率范圍是多少等；對于輸出方面也類似。
- 通訊方面，HIL臺架系統需要提供足夠的通訊類型和通道，比如：
- 需要具備多少路CAN/CAN FD通道，多少路LIN通道，多少路以太網通道；
- 需要支持SENT協議，SPI協議或AK協議等。
然后是根據故障診斷需求，需要提供足夠的故障注入的類型和通道，以支持診斷的需求。
最后可能還包括提供一些負載的模擬或者替代等。
2.2 軟件能力
HIL臺架系統的軟件能力，主要包括兩個方面，一個是HIL臺架系統本身的軟件能力，另一個是HIL臺架系統所能提供的ECU軟件仿真能力。關于HIL臺架系統本身的軟件能力，借助dspace產品來進行說明，主要包括以下幾個方面：
- 對上述所提供的硬件能力，需要有相應的軟件平臺進行實時硬件的配置，像ConfigurationDesk能提供較好的圖形化配置。
- 需要提供測試用例的編寫和測試自動化的軟件，像AutomationDesk可以使用戶能以圖形格式創建和編輯測試程序，無需具備編程技能。
- 需要提供豐富HIL測試狀態和進度的可視化，像ControlDesk用于開發ECU的通用模塊化實驗和儀表軟件，讓測試人員更容易接收到測試的信息和狀態。
- 需要HIL測試的數據管理與協作軟件，像SYNECT提供了從需求到測試結果的完全可追溯性，與ALM工具和過程集成，以彌補與實際測試執行之間的差距，這樣便于軟件測試的管理，也優化HIL利用率。
Source：電子控制單元（ECU）HIL測試 | HIL仿真
關于HIL臺架系統所能提供的ECU軟件仿真能力，主要指ECU控制的Plant（物理）模型。對于Plant模型主要取決于ECU控制的是什么，MCU對應電機模型，動力總成域控制器對應整車的動力學模型。相對于供應商，OEM對于HIL測試系統的需求更多在于驗證應用層軟件的功能和性能，這樣就需要依托強大的物理模型進行測試驗證，即需要HIL測試系統提供強大的建模能力，比如針對動力總成系統的HIL臺架測試系統，物理模型可能就包括發動機模型，變速箱模型和車輛動力學模型等。
source: Top Level of Vehicle Plant Model | Download Scientific Diagram
以上就是關于HIL臺架系統的主要需求，目前國內HIL臺架系統的主流解決方案來自幾個平臺：dSPACE平臺， NI平臺，Vector平臺和Mathworks平臺。總的來說，這些平臺都具有各自的優勢，有的成本低，有的易于維護，有的便于擴展。對于如何選擇這些平臺，最終還是看自己的需求。這些平臺基本都能保證功能實現，主要看自己的會偏向于哪個特性。
#03 如何驗收HIL臺架系統
當定義好了HIL臺架系統，接下來就是供應商去設計和制造，然后需求方再進行驗收工作。
- HIL臺架系統的硬件能力，這些是供應商必須實現的，通常都沒啥問題。
- HIL臺架系統的軟件能力，這些需求通常不夠清晰，邊界不夠精準，因此是驗收重點。
曾經碰到過動力總成的Plant模型問題，雖然經歷過多次的技術溝通，但最終給出還是相對折衷的交付物。其原因是軟件或模型這塊屬于定制化需求，我理解的并不一定是你所理解的，此時供應商的技術人員就特別重要，一方面是否對方是否真正理解了你的需求，另一方面是對方是否具備足夠的能力去實現你的需求。 這里舉一個例子，假設要求HIL的電機模型支持轉速控制和轉矩控制，如果只是簡單這樣一條需求，那么實現方案是存在多種可能性，比如：
- 最簡單的話，直接做轉速和轉矩層面的PI控制就行。
- 稍微復雜的話，采用電機控制算法來實現電機轉速和轉矩控制。
- 再復雜的話，建立電機控制及其本體模型，能反饋電機的電流電壓等參數狀態。
這樣我們不難理解，隨著需求的詳細程度和復雜成不同，對HIL臺架系統軟件能力將會產生巨大的影響。因此，對于這塊的需求最好事先調研清楚，十分清晰自己的需求。#04 如何使用HIL臺架系統
當HIL臺架系統有了之后，那么接下來的關鍵點在于使用HIL臺架系統的測試人員，對于HIL測試人員有以下幾個核心要點：
- 臺架搭建，包括HIL硬件本體和外圍相關硬件配置的使用和連接，以及HIL軟件測試環境的構建和配置等。
- HIL測試，包括信號的模擬和仿真，測試用例的編寫、運行、評估和管理，測試問題的分析和解決，以及測試場景的構建操作等。
- 功能/軟件開發，主要與功能相關的控制策略和物理模型開發。
對于以上這幾點，前兩點是HIL測試人員必須具備的技能，第三點會隨HIL臺架系統所使用的需求層級而變化，就下圖所示的一個HIL測試工程師的招聘崗位職責：
而對于供應商的ECU系統層級，使用HIL臺架系統主要進行兩大方面的測試驗證給工作，包括：
- ECU與外界環境的信息交互驗證，比如與其他ECU的通訊，傳感器信號的采集和外部執行器的驅動等。
- ECU自身產品功能和性能的驗證，比如正常情況下，電機控制器的轉速和轉矩控制，整車控制器的上下電管理，扭矩控制等，或者非正常情況下，故障的診斷及處理等。
總之，ECU系統層級的HIL測試涵蓋了ECU硬件和軟件的設計驗證，通常在汽車研發體系中還有ECU軟件層級的HIL測試，相對于ECU系統層級是針對ECU系統需求的驗證，ECU軟件層級的HIL測試是驗證ECU軟件需求及詳細設計。
如下示意一種BMS狀態機，當對該狀態進行HIL測試時，出現了某一步的狀態異常跳轉，雖然從控制整體狀態上沒啥影響，ECU系統層級的HIL測試可以不關注這個點，但是從ECU軟件層級的HIL測試角度，這種情況則不能出現，因為不符合軟件需求或軟件的詳細設計，因此需要對此問題分析和修復。
#05 小 結
以上就是針對HIL臺架系統的一些個人認識，歸納起來就是：- 汽車研發過程有大量針對開發設計的測試驗證工作，從成本和效率等考慮，對HIL臺架系統有很強的需求。
- 對于到底怎樣的HIL臺架系統，取決于需要用HIL臺架來做什么，以及要做到什么程度，進而也決定了需要怎樣的HIL測試人員。
- 對于HIL臺架系統的使用，掌握怎么搭建臺架系統，以及如何進行HIL測試，這是必需的工作技能，而對于功能或模型開發的掌握程度，取決于使用HIL臺架系統進行何種層級的HIL測試。
