基于LabCar的车身系统硬件在环仿真测试

2015-06-13高利华赵志宇

汽车电器 2015年8期

高利华，赵志宇

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000）

随着汽车行业的飞速发展，人们对于安全性、舒适性、节能减排的要求越来越高，但随之而来的是控制器数量和复杂程度的不断增加，由此产生的后果使得汽车电器功能故障频发。据统计，在整车故障中电器故障占到三成以上，在常见的汽车故障中概率最高［1］。

由此对控制器测试的需求进一步提高，基于HIL （Hardware In the Loop，硬件在环）的半实物仿真技术是一种用于测试电子控制单元的功能、系统集成和通信的方法，通常用于汽车、航空、工程机械等领域。在汽车行业中，基于HIL仿真的测试环境针对用户的被测车型进行建模仿真，并将其运行于控制器闭环工作的实时环境中，实现对各个电控单元的复杂测试。

与传统的实车功能测试相比，HIL测试手段的优势主要有：将测试过程从试验台架中分离；能够模拟被控对象的各种工况；能够模拟复杂的故障模式；快速复现故障模式；实现多个控制器的集成测试；实现测试自动化；易于维护和扩展测试能力等［2］。

1 HIL仿真系统的需求分析和设计方案

1.1 测试需求

本系统是基于长城汽车某车型车身域而搭建的硬件在环仿真平台，包括车身控制模块BCM、无钥匙进入起动系统PEPS、仪表系统IP、网关GW、门控制模块DCM等13个ECU。其网络拓扑图如图1所示。

CAN总线拓扑中包含27个ECU，分布在高速、中速、低速三路网络，其中虚线部分的ECU为选配，不同路上的ECU通过GW路由。车身域的各ECU包含在网络拓扑中。具体的需求包括以下4项。

1）能够实现单个控制器的独立功能测试，支持车身ECU开发验证。

2）能够实现多个控制器的系统集成测试，并且在欠缺一个或多个真实ECU的情况下，模拟所欠缺的ECU，可与其他真实ECU进行系统集成功能测试。

3）能够通过故障注入模拟各种电气故障，故障注入可方便产生诊断测试所需要的各类外部故障（包括ECU搭铁短路、电源短路、电源开路以及CAN总线故障等）。用于控制器的诊断功能测试，由HIL设备自动读取ECU的DTC（诊断故障码）进行对比，得出DTC的测试报告。

4）设备可自由方便地通过人机界面，进行手动或自动的测试。

1.2 具体设计方案

本仿真系统采用ETAS硬件在环仿真系统Labcar，本系统主要有包括上位机软件平台与机柜式硬件平台。具体的设计思路是，将matlab／simulink模型、C代码、硬件板卡配置、CAN LIN模型集成到软件平台，下载到实时计算机（RTPC）中，控制相应的板卡，最终控制相应的控制器输出。ECU上电通过外部TOE电源，可给单个ECU上电，做单ECU的测试，也可全部上电，进行集成测试。通过上位机软件还可进行故障注入的控制，对诊断进行测试［3］。

2 HIL测试平台的搭建

2.1 硬件平台的搭建

整个系统平台由HIL机柜、负载台架、软件平台组成。如图2所示。

硬件平台由多个模块组成，其中包括RTPC、 VME4100板卡箱、电池节点切换（静电流测量）箱、CAN LIN切换箱、故障注入箱等。HIL机柜分布图如图3所示。

2.1.1 RTPC及其扩展箱

RTPC又称实时计算机，是硬件在环仿真平台的核心组成部分，是沟通上位机软件与下位机硬件板卡的桥梁，上位机软件集成的模型下载到RTPC，然后控制下位机板卡，它们之间通过以太网口相连接。如图4所示。

本仿真系统使用的RTPC采用主流的i7四核CPU，支持并行处理及模型的分核下载，满足同步性要求并具备可多扩展性。采用实时Linux操作系统进行仿真模型运算。RTPC扩展箱主要扩展了CAN／LIN总线通信板卡，此板卡是基于PCIe总线通信，为满足测试的需要，提供4路CAN与4路LIN通信接口，提供连接接口通道大于30路的CAN管理模块，用于与ECU和外围设备连接，通过切换箱能提供大于30路的CAN接口和大于10路的LIN接口。

2.1.2 VME4100板卡箱

VME4100板卡箱基于VME总线，高性能、信号稳定。ES4100板卡箱中可配置21个板卡插槽，并可根据ECU信号需求灵活配置I／O板卡。根据ECU管脚需求，本系统平台分别配置了仿真控制板卡ES1130、PWM及数字信号板卡ES1321、模拟输入信号板卡PB1651、模拟输出信号板卡PB4350、电阻信号模拟板卡ES1385。

1）ES1130用于各板卡和RTPC处理器之间的相互通信。

2）ES1321板卡用于输出和采集数字信号，主要指标为带有24个输入通道和16个输出通道。输出结果可由一个高和一个低电平配置，并通过前面板用2个外部参考电压进行比较；100kHz最大输入输出频率；输入输出频率为1Hz～100 kHz；PWM数字通道可兼容数字输入。

3）PB1651模拟输入信号板卡具备16个输入通道，采用差分电压输入，16位分辨率，±3mV精度，输入阻抗＞10M，转换时间＜8us。

4）PB4350模拟输出信号板卡具备10个输出通道，14位分辨率，通过软件可为每个通道配置内部／外部参考电压。

5）ES1385电阻信号模拟板卡用于模拟带有电阻负载的ECU传感器，每块板卡有6个电阻通道并可由软件设置其阻值，6个通道中有4个可从20Ω调节至28 kΩ，最小步长为1 Ω的通道；2个可从20 Ω调节至108kΩ，最小步长为2Ω的通道。

2.1.3 电池节点切换（静电流测量）箱

1）电池节点切换电池节点切换的作用是通过继电器的控制来对各个ECU上电，包括KL30、KL15等。通过此切换箱，可以任意给不同的ECU上电，也可以同时给几个ECU上电。可以方便进行单ECU测试或者几个ECU的集成测试。

供电系统是由TOE可编程电源供电，本系统采用的可编程电源功率可达3kW，电压0～30V连续可调，可满足过压和欠压的测试需求，可手动控制也可远程实现自动化的控制，并且满足ISO 16750和ISO 7637的电源起动波形仿真。

2）静电流测量此板卡箱还可实现静电流测量的功能。采用的静电流测量模块为CMMI，其分辨率可达2μA，测试范围为1μA～100A，并能在数个微秒内自动选择量程。其工作原理为：通过继电器回路切换的方式，远程控制将电流测量回路串入被测的ECU。如图5所示。

CMMI_1用来测量系统的静态电流，CMMI_3用来测量ECU的T30和T15电流，CMMI_2用来测量ECU对搭铁的电流。

2.1.4 故障注入箱

故障注入箱的主要功能是对控制器的输入输出引脚进行故障注入，然后进行诊断的测试，故障注入包括断路、搭铁短路、对电短路、CAN低与CAN高短路等。

此故障箱可单独使用，配合相应的软件，可手动控制故障的注入，也可接入系统，与系统联调，实现自动化的控制。

2.2 软件平台搭建

本系统的软件平台是基于ETAS的软件平台，主要包括LCO（Labcar operator，手动平台）与LCA（Labcar automation，自动平台）。

2.2.1 手动测试软件平台

ETAS的Labcar测试软件平台为LCO平台系统，包括IP（Integration Platform，集成平台）与EE（Experiment Environment，试验环境）2个软件界面。

1）集成平台软件 IP又可称为集成平台，可以将不同软件工具生成的模型统一导入到IP中，生成统一工程。模型可以包括Matlab／Simulink、ASCET、C代码等。此平台还可配置I／O硬件板卡及CAN、LIN硬件模型，并将这些模型进行关联。IP软件的另一个作用是编译生成实时计算机可识别的代码。

2）试验环境软件 EE又称试验环境，是进行手动测试的界面环境。此软件环境可实现访问各模型的信号和接口，并且可以将这些资源以丰富的界面格式显示，方便进行测试操作。试验环境如图6所示。

2.2.2 自动化测试软件平台

自动化测试软件平台，又称LCA，主要用于自动化测试，其由几个小的软件组成。测试方法主要包括两种：一种称为ASB（Automation Sequence Builder，自动序列搭建平台），软件集成了ETAS自带的模块，可以通过拖拽的方式进行测试Case的搭建，每个模块都可设定相应的变量值。另一种方式可以通过C＃等编程语言来实现。软件环境为test handle（测试配置平台）。通过代码的编写可实现测试Case（案例）的编写和调试。

3 仿真测试

3.1 测试概述

ETAS的硬件在环测试平台又叫Labcar系统，可以称之为试验室中的汽车，就是在试验室中，通过此系统仿真出ECU或者传感器等模型，进行相关测试。本系统是对十几个真实的ECU进行测试，所以需要仿真各种输入信号，如数字信号、模拟信号（传感器信号）、电阻信号灯。同时能够采集各ECU的输出信号，便于自动化测试的判断。

3.2 测试举例

现以近光灯点亮功能为例，介绍HIL测试平台测试流程。首先将新建好的上位机软件工程下载到RTPC，软件工程已将各模型集成进去，并把各输入输出通道配置完毕，下载完毕后进入EE界面，此时可对ECU进行仿真测试。

点亮近光灯为BCM外灯功能，测试过程先给BCM供电，然后发送相应的报文信号和硬线信号，报文信号为CAN卡发送的系统电源模式为ON的信号，硬线信号为点亮位置灯信号和点亮近光灯信号（逻辑功能为先点亮位置灯才能点亮近光灯），均为低电平有效。输入条件满足后，可对输出进行采集，采集近光灯信号是否为高电平。最后打印测试报告，判断测试结果。

HIL测试的优势为可以进行部分实车中不好实现的测试，如过压、欠压测试；极限条件下的测试；故障注入及诊断的测试；逆向及冲突测试等。