涨姿势 | 一文说透电机控制器硬件在环测试（MCU HIL）

软件质量是嵌入式产品开发中最关注的问题之一。随着产品迭代，软件复杂程度越来越高，为保证软件质量，需要对软件进行大量的测试，这会在整个产品周期中消耗大量时间及资源。另一方面，市场竞争日渐激烈，产品推向市场的周期越来越短，这与测试需要大量时间行成了冲突，因此软件测试正成为产品开发周期中最大的瓶颈之一。

1、软件测试的挑战

调查显示，在汽车行业中，测试已经占到软件开发成本的75%，且还在上升。以汽车行业为例，通常一个软件平台对应多种变体（中、高端车型、不同国家法规等），修复一个变体的bug可能对其它多个变体产生影响，带来的问题无疑是巨大的。

在传统开发过程中，测试团队通常会通过将ECU接入真实物理平台的方式来验证控制器功能，如针对电机控制器MCU，将MCU接入电机台架，通过MCU控制台架电机并监控传感器信息。在这种方式下，ECU测试（主要是应用层部分）只能在较为昂贵且复杂的真实台架上才能进行，测试往往在开发后期才能开始。并且需要制定极高的操作安全规范来保证设备及操作人员安全。即使如此，对于未经验证的ECU，在真实台架上的测试时仍然可能由于ECU软件潜在的bug导致台架损坏并对测试人员造成安全风险。在某些测试项目中，需要反复对同一工况测试，由于真实台架会受自身运行及环境影响，有时需要通过静置或其它手段保证多次测试的环境条件一致，会导致测试效率较低。

总的来说，传统的真实台架测试虽然一定程度保证了测试的准确性，但存在安全风险较高、造价昂贵、测试效率不高等缺点。

2、硬件在环测试（HIL）

为了克服以上局限，汽车行业提出了硬件在环测试（HIL-Hardware in the Loop）的概念。在这个概念中，物理被控对象由仿真模型替代，运行在实时仿真计算机中，实时仿真计算机提供实时操作系统，保证被控对象模型按照真实时间运行。同时，ECU通过与实时仿真计算机外设的IO接口连接形成闭环。

相对于传统台架测试，使用HIL测试会带来一系列优势：

安全：

在HIL平台中测试，被控对象由实时仿真计算机模拟，同时好的HIL系统有完善的监控机制且各个零部件完全由软件控制。即使待测ECU存在bug，也不会造成平台损坏或危及测试人员安全。
可轻松执行在实际设备中的危险工况或极限工况，并且在执行绝大多数危险工况时没有对操作人员或设备的安全风险。

高效：

通过可视化界面，可实时观测所需数据。同时可记录数据进行后期分析。
无需考虑周围环境因素对测试结构影响，可连续反复测试同一工况。
通过自动化测试软件，可连续执行测试用例，加快测试进度。
单套系统可以覆盖同一甚至多种平台的各类变体测试。

降低成本：

一般而言真实台架相对于高精度实时仿真机来说造价更为昂贵，维护成本更高。
HIL测试可比台架测试更早介入产品开发周期，极大缩减纠错成本。

质量保证：

随着在各个行业越来越多的使用基于模型开发（MBD）的流程，如图 2所示，在一个完整的MBD V流程开发中，左侧在软件开发过程中会引入模型在环测试（MIL，针对模型逻辑功能测试）及软件在环测试（SIL，针对模型生成的代码测试），有时在SIL之后还会进行处理器在环测试（PIL，将生成代码放入处理器测试）。而在集成ECU后则会进行HIL测试，以高效验证控制器功能并进行初始参数的标定。最终再进行台架或实物测试确定最终参数。作为MBD流程中不可或缺的一环，HIL测试能很好的保证最终产品质量。

3、MCU HIL原理

1.HIL系统结构一般而言，完整的HIL系统拓扑结构如图 3所

各系统主要为：

◆Real Time Target Computer+IO: 实时系统的核心部分，主要是实时处理器加外围IO。这里的IO通道一般根据用户ECU的PIN信息调整。比如当ECU的通道为ADC时，此时HIL系统一般配DAC。如此类推。在配置系统时需注意要预留一定的IO通道。

◆Signal Conditioning：信号调理模块，主要是因为ECU PIN脚的规格和实时系统的IO规格可能不一致，所以需要一些信号调理板卡，将实时系统的IO规格转换成ECU所需要的规格。

◆FIU：故障注入模块，串接在ECU和实时系统IO线束上的开关矩阵，用于控制模拟ECU引出线束上的一些故障，比如短路、断路等。

◆Load Simulation：负载仿真。当ECU工作时，部分通道需要输出电流控制某些继电器、阀体等。如果将这些通道直接连接到实时系统IO上，由于实时系统IO的阻抗很高，不能产生足够的电流。因此需要在通道上连接一些负载，以ECU可以正常工作，不会被诊断存在问题。

◆Real Loads/Real Sensors：当有一些传感器/负载无法有效模拟时，可以连接真实的负载或传感器。但真实传感器的信号需要由实时系统控制或读取，真实负载的驱动信号也要由实时系统读取，然后参与模型运算。

◆程控电源：由实时系统控制的供电模块，模拟车载低压电池的供电。同时该供电也是作为故障注入单元、负载仿真的参考点等。

◆上位机：上位机用于搭建模型、编译下载、监控模型运算，同时通过标定诊断工具，读取ECU中变量。运行自动化测试软件。

其中负载及负载模拟、故障注入可以根据具体测试目的来确定需不需要。

2.MCU HIL分类

电机控制器（MCU）的HIL系统和其它HIL系统有相同点和不同点，按照实现方式的不同，大体分为三类，如图 4所示。

2.1 Signal Interface Level：信号级HIL系统

在信号级系统中，控制器为真实控制器，其余如逆变器、电机以及负载均以模型的形式运行在实时仿真机中。外围接口部分主要为PWM控制信号、各类保护逻辑、电流采样接口（弱信号）、Resolver及CAN等。

信号级MCU HIL是最常见的系统，其优点是成本低，被测系统通过模型配置，灵活性较高。

电机模拟器分功率模拟器和电机模型两部分，如图 7所示。通过电机模型，由功率模拟器输出三相电与逆变器对接。此种方案通常价格较高且灵活性有限，一般针对于特定产品测试。

2.3 Mechanical Interface Level：机械级HIL系统

由于真实电机的存在，所以需要真实测功机与之机械对接，故称之为机械级。在这级别系统中，用户的所有系统均为真实系统。

该方案类似真实台架，通常适用于某些控制板与逆变器及电机集成在一起的产品，如电动助力转向系统EPS的测试。

3.MCU HIL测试内容

MCU HIL的测试的内容如下：

（1）相电流/母线电压传感器信号，电机温度传感器信号，位置传感器信号采集；

（2）电机逆变器PWM控制功能验证；

（3）扭矩模式控制；

（4）转速模式；

（5）制动回馈测试；

（6）故障注入测试；

……

MCU HIL组成

1.MCU HIL模型

在MCU的HIL系统中，除实时仿真机及相关外围硬件外，模型搭建同样非常重要。一个好的模型决定了测试的精度、覆盖度等等最终结果。

ETest兼容MFI标准模型，支持加载FMU模型至半实物仿真环境；运行实时硬件在环仿真的同时，支持动态调整模型参数；与Simulink、同元MWorks等建模工具无缝集成。

2.实验管理软件

在HIL测试中，方便易操作的实验管理软件可以极大提高测试效率。实验管理软件主要安装在上位机电脑中，通过网线或其它形式与实时仿真机交互，方便测试人员管理测试过程。

(1)STM软件测试管理系统

凯云科技自主研发的STM软件测试项目管理系统，提供规范的测试流程，支持被测件接收、测试需求分析、测试用例设计、测试执行记录、测试问题处理、测试总结等测试全过程综合管理。

(2)ETest强大的自动化测试功能

ETest以向导式的方式快速建立测试用例，也可导入针对待测MCU功能的测试用例，并根据测试用例自动生成测试脚本，根据测试任务自动进行测试，减轻测试工程的工作强度。

自动执行测试用例的同时，也支持加入人工参与环节；提供全方位的执行过程监控手段，测试过程数据自动记录；内置高性能实时数据库，支持海量数据存储与处理。

测试结果数据可以在线监控，同时生成测试结果信息，自动生成office格式的测试文档，测试文档格式可定制。

(3)ETest可视化与脚本多种开发方式

既可以可视化创建状态机、通信时序、信号处理等多种可执行模型，也可以使用脚本编程实现灵活丰富的动态控制功能；内置百余项API和界面组件，让测控系统开发变得轻松、简单。

(4)ETest灵活部署且易于扩展

支持windows、Linux、RTLinux、中标麒麟、银河麒麟等多操作系统部署，支持单机部署、分布式部署；硬件板卡和软件模块均可自由组合配置，支持自定义集成与扩展。