基于嵌入式車載系統(tǒng)智能自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)

韓 淼，王莉莉，吳龍翔，方有成，葛樹威，尹天博

(哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150080)

0 引 言

近幾十年來，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)都開始提倡機(jī)電一體化。汽車產(chǎn)業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需要產(chǎn)生了各種車載電子產(chǎn)品。據(jù)國(guó)外專家預(yù)測(cè)，未來3～5年內(nèi)汽車上裝用的車載系統(tǒng)成本將占汽車整體成本的25%以上。車載系統(tǒng)的主要功能不僅是監(jiān)控行車過程中提供車速等各項(xiàng)指標(biāo)，以及行車過程中的安全，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航等人性化服務(wù)，為駕駛員提供方便。車載系統(tǒng)的開發(fā)過程中一直采用人工測(cè)試，其存在周期較長(zhǎng)、結(jié)果受主觀因素影響、單元測(cè)試耦合度低等問題。針對(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)通過信號(hào)發(fā)生和采集器、機(jī)械仿生結(jié)構(gòu)以及視覺檢測(cè)技術(shù)，有效地減少人工操作，降低主觀因素影響，提供更客觀準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，縮短開發(fā)工程師解決問題周期，提供更科學(xué)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，提高項(xiàng)目管理水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量［1-2］。

1 車載系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)狀研究

隨著嵌入式系統(tǒng)處理器性能提升，以及4G／WIFI／藍(lán)牙等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外汽車電子產(chǎn)品智能化不斷發(fā)展，不僅提升了駕駛主動(dòng)和被動(dòng)安全，同時(shí)給駕乘人員帶來良好的用戶體驗(yàn)。但是，隨著汽車電子產(chǎn)品功能不斷增加的同時(shí)，產(chǎn)品功能測(cè)試保障手段卻并沒有同步發(fā)展，還停留在傳統(tǒng)人工測(cè)試階段，僅能通過增加測(cè)試人員數(shù)量和延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，來保障產(chǎn)品功能穩(wěn)定。雖然增加測(cè)試人數(shù)和延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，短期內(nèi)可以保障產(chǎn)品基本功能正常，但是并不能保障產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行［3-4］。另外，人工測(cè)試僅能定性保證產(chǎn)品功能正常，不能定量保證產(chǎn)品的可靠性，所以有必要通過自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，快速準(zhǔn)確、定量客觀的對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行測(cè)量分析，確保產(chǎn)品投入市場(chǎng)后的可靠運(yùn)行。

2 車載系統(tǒng)測(cè)試需求分析

2.1 功能描述

車載電子系統(tǒng)主要分為2大類產(chǎn)品:一類為無(wú)人機(jī)交互界面的信號(hào)采集和處理的控制器，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、車門控制器等；另一類為具有人機(jī)交互界面的信號(hào)采集和處理控制器，如組合儀表、車載導(dǎo)航、空調(diào)控制器等。

無(wú)人機(jī)交互類產(chǎn)品，主要功能為信號(hào)采集、信號(hào)處理和信號(hào)執(zhí)行。該類產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需按時(shí)序提供信號(hào)，在規(guī)定范圍內(nèi)確認(rèn)信號(hào)是否執(zhí)行。而有人機(jī)交互類產(chǎn)品的測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，是在無(wú)人機(jī)交互類產(chǎn)品基礎(chǔ)上增加人機(jī)交互操作和操作響應(yīng)，主要通過機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)和視覺檢測(cè)方式來確定產(chǎn)品可靠性。

2.2 性能指標(biāo)

車載電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)主要體現(xiàn)在信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)執(zhí)行、用戶操作識(shí)別、用戶操作反饋等方面的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。其它功能類模塊可依據(jù)國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行定量檢測(cè)，如數(shù)字收音機(jī)性能應(yīng)符合國(guó)標(biāo)《GB／T 26775-2011車載音視頻系統(tǒng)通用技術(shù)條件》的要求等。

3 智能自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of application

（1）信號(hào)發(fā)生器和采集器。信號(hào)發(fā)生器和采集器主要用于模擬產(chǎn)生車身的各類實(shí)時(shí)模擬信號(hào)（如水溫、燃油、CVBS等模擬信號(hào)）和數(shù)字信號(hào)（如CAN報(bào)文、LIN報(bào)文、LVDS等數(shù)字信號(hào)），同時(shí)接收待測(cè)車載電子產(chǎn)品發(fā)送的模擬信號(hào)（如DC 12V輸出、音頻等模擬信號(hào)）和數(shù)字信號(hào)（如CAN報(bào)文、觸摸屏數(shù)字坐標(biāo)等）。

（2）人機(jī)視覺交互執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)。人機(jī)視覺交互執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)主要用于模擬駕乘人員對(duì)待測(cè)產(chǎn)品的操作（如拔插U盤、觸摸或者滑動(dòng)觸摸屏），以及驗(yàn)證待測(cè)產(chǎn)品對(duì)駕乘人員操作的執(zhí)行結(jié)果（如待測(cè)產(chǎn)品是否識(shí)別到U盤拔插事件、待測(cè)產(chǎn)品是否執(zhí)行用戶對(duì)觸摸屏觸摸或滑動(dòng)的操作）。

（3）上位機(jī)應(yīng)用軟件。上位機(jī)應(yīng)用軟件主要用于控制（1）、（2）部分的執(zhí)行時(shí)序，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)以及測(cè)量結(jié)果的可視化統(tǒng)計(jì)分析。

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)描述本系統(tǒng)將第（1）、（2）部分合并，簡(jiǎn)稱為“轉(zhuǎn)換器”。

3.2 電氣接口設(shè)計(jì)

電氣接口設(shè)計(jì)基本原則是:滿足現(xiàn)有車載產(chǎn)品各類信號(hào)的輸出和輸入，并具有一定可擴(kuò)展性，便于檢測(cè)系統(tǒng)隨著待測(cè)產(chǎn)品復(fù)雜度提高后的功能迭代而升級(jí)［5］。為兼容各類待測(cè)產(chǎn)品，提高檢測(cè)工裝復(fù)用性，降低檢測(cè)成本，本檢測(cè)平臺(tái)電氣接口采用螺柱矩陣化設(shè)計(jì)，不僅提供高工裝復(fù)用性，同時(shí)降低檢測(cè)工裝的硬件投入。電氣接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)物圖Fig.2 Design of electrical structure

圖2中，每一個(gè)銅柱代表一個(gè)電氣接口與信號(hào)邏輯控制器電氣連接，插座與待測(cè)產(chǎn)品電氣連接。當(dāng)測(cè)量不同類型車載電子產(chǎn)品時(shí)，只需要更換過渡線和重新定義螺柱電氣定義，即可完成待測(cè)產(chǎn)品的切換。本電氣接口設(shè)計(jì)具有便捷、高效、低成本的優(yōu)勢(shì)。

3.3 通信協(xié)議接口設(shè)計(jì)

本著通信接口具有通用性和可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則，當(dāng)產(chǎn)品功能復(fù)雜度提高時(shí)，僅需擴(kuò)展協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容即可；當(dāng)產(chǎn)品功能模塊增加時(shí)，僅需擴(kuò)展消息ID即可，盡可能不改變軟件建構(gòu)，只對(duì)局部功能模塊進(jìn)行完善。通信協(xié)議格式如圖3所示。

圖3 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式Fig.3 Communication protocol data format

其中，“起始幀”字段表示系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)模式；“ID”字段表示不同類型產(chǎn)品；“數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”字段表示本次通信的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，便于各個(gè)系統(tǒng)確認(rèn)數(shù)據(jù)完整性；“消息ID”字段表示各個(gè)功能編號(hào)；“數(shù)據(jù)內(nèi)容”字段表示一次通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)內(nèi)容為控制指令或者數(shù)據(jù)源；“校驗(yàn)”字段采用單字節(jié)異或校驗(yàn)，用于判斷本條協(xié)議的準(zhǔn)確性。

3.4 交互接口工業(yè)設(shè)計(jì)

交互接口工業(yè)設(shè)計(jì)分為2部分，一部分為機(jī)械手結(jié)構(gòu)，用于模擬駕乘人員對(duì)待測(cè)產(chǎn)品的操作；另一部分為視頻采集結(jié)構(gòu)，用于識(shí)別待測(cè)產(chǎn)品的液晶顯示界面狀態(tài)。交互接口工業(yè)設(shè)計(jì)示意如圖4所示。

圖4 交互接口工業(yè)設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Interactive interface industrial design sketch

圖4中，“機(jī)械手”結(jié)構(gòu)主要用于模擬駕乘人員的三類手指操作，分別對(duì)應(yīng)駕乘過程中對(duì)待測(cè)產(chǎn)品的手指操作。如開關(guān)機(jī)、拔插U盤、觸摸屏等操作；“視頻采集結(jié)構(gòu)”實(shí)時(shí)采集液晶屏幕顯示內(nèi)容，與機(jī)械手按時(shí)序先后進(jìn)行圖像解析。當(dāng)機(jī)械手執(zhí)行完操作后，在設(shè)定檢測(cè)周期內(nèi)，通過視頻采集液晶屏顯示狀態(tài)，來判斷機(jī)械手操作是否得到待檢品的實(shí)時(shí)響應(yīng)［6］。為保證機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確和視頻采集圖像參考基準(zhǔn)，需設(shè)計(jì)專用的、具有限位功能的檢測(cè)支架，用于機(jī)械限位操作和視頻采集參考點(diǎn)。限位檢測(cè)支架如圖5所示。

圖5 限位檢測(cè)支架實(shí)物效果圖Fig.5 Physical effect diagram of limit detection bracket

4 智能自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 人機(jī)交互界面

因檢測(cè)系統(tǒng)需利用計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，因此檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用C／S（Client／Server）架構(gòu)開發(fā)。待檢測(cè)產(chǎn)品為系統(tǒng)的客戶端，該自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)作為服務(wù)器端，轉(zhuǎn)換器在二者之間用于轉(zhuǎn)換各類不同產(chǎn)品和不同功能的數(shù)據(jù)格式。后臺(tái)應(yīng)用采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。服務(wù)器端采用JavaFX編寫，負(fù)責(zé)檢測(cè)指令下發(fā)、檢測(cè)數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及可視化分析報(bào)表。

4.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)模塊

檢測(cè)數(shù)據(jù)模塊為本檢測(cè)平臺(tái)的核心業(yè)務(wù)，由檢測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析2部分組成。

檢測(cè)數(shù)據(jù)過程如圖6所示。下位機(jī)即待檢品，通過轉(zhuǎn)換器與測(cè)試平臺(tái)正確通信握手連接后，待測(cè)數(shù)據(jù)由上位機(jī)發(fā)給待測(cè)產(chǎn)品，途中經(jīng)由轉(zhuǎn)換器映射到待檢品對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目上。每條通信報(bào)文均含有待測(cè)產(chǎn)品唯一性編號(hào)，因此上位機(jī)可通過唯一性編號(hào)，區(qū)分同時(shí)檢測(cè)的多組待檢品的檢測(cè)狀態(tài)。不同產(chǎn)品對(duì)應(yīng)不同檢測(cè)數(shù)據(jù)模塊，但協(xié)議框架相同，便于增加、修改檢測(cè)數(shù)據(jù)模塊。

圖6 檢測(cè)數(shù)據(jù)過程流程圖Fig.6 Flow chart of detection data process

待測(cè)產(chǎn)品按轉(zhuǎn)換器發(fā)送的檢測(cè)指令進(jìn)行響應(yīng)，如有反饋結(jié)果則通過通信協(xié)議反饋給上位機(jī)應(yīng)用程序；如無(wú)反饋結(jié)果，則需要借助視覺檢測(cè)來判定待測(cè)產(chǎn)品狀態(tài)是否正確。視覺檢測(cè)結(jié)果也通過通信協(xié)議反饋給上位機(jī)應(yīng)用程序。上位機(jī)檢測(cè)程序根據(jù)反饋的檢測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包含對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的存數(shù)據(jù)操作和取數(shù)據(jù)操作2個(gè)步驟。

4.3.1 存數(shù)據(jù)操作

每一輪檢測(cè)均由上位機(jī)發(fā)起，每一輪待檢品反饋回的協(xié)議數(shù)據(jù)作為結(jié)果數(shù)據(jù)存入到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。存入數(shù)據(jù)格式如圖7所示。每一輪測(cè)試結(jié)果是一行，各字段從左至右與平臺(tái)中顯示各檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)順序一一對(duì)應(yīng)，結(jié)果分為“1”和“0”2種狀態(tài)。“1”代表結(jié)果正確或者符合范圍，“0”代表結(jié)果錯(cuò)誤、超出范圍或者超時(shí)無(wú)應(yīng)答。通過“0”和“1”兩態(tài)來描述產(chǎn)品檢測(cè)狀態(tài)，可有效針對(duì)不同的檢測(cè)群體。

黑盒測(cè)試工程師和生產(chǎn)檢測(cè)人員僅關(guān)心檢測(cè)結(jié)果，而不關(guān)心不合格項(xiàng)目原因，僅通過簡(jiǎn)單顏色或文字提示即可完成業(yè)務(wù)范圍內(nèi)工作；白盒測(cè)試工程師和開發(fā)工程師需要定量確認(rèn)不合格項(xiàng)目，在“0”狀態(tài)下查詢判定邏輯，即可知失敗的具體原因。

如果同一臺(tái)產(chǎn)品經(jīng)過多輪測(cè)試，可通過檢測(cè)時(shí)間戳來區(qū)分每輪的檢測(cè)狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)中表格式Fig.7 Table Form in Database

4.3.2 取數(shù)據(jù)操作

進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，將多輪檢測(cè)的冗余數(shù)據(jù)過濾后，生成結(jié)果顯示模塊中的內(nèi)容，操作者也可自定義字段和時(shí)間范圍來選擇要查看的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

結(jié)果顯示模塊由實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果、可視化圖表和出錯(cuò)分析報(bào)告3部分構(gòu)成。

將待測(cè)信息以表格形式顯示在本平臺(tái)中，表格中顯示各待測(cè)項(xiàng)的順序就是該平臺(tái)檢測(cè)時(shí)的順序，若沒有該檢測(cè)項(xiàng)則會(huì)自動(dòng)跳過該行，表格中詳細(xì)顯示了序號(hào)、測(cè)試項(xiàng)目、檢測(cè)結(jié)果等測(cè)試項(xiàng)目，部分測(cè)試項(xiàng)目如圖8所示。

圖8 測(cè)試項(xiàng)目圖表Fig.8 Test Item Chart

實(shí)時(shí)檢測(cè)過程會(huì)動(dòng)態(tài)顯示在上位機(jī)界面中，通過顏色加上文字提示，醒目表示待檢品的檢測(cè)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果正確則顯示“正常”字樣并顯示綠色；檢測(cè)結(jié)果與預(yù)期值不符或超出測(cè)試范圍則顯示“錯(cuò)誤”字樣并顯示紅色；若檢測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)不完整或檢測(cè)異常則顯示“需判定”字樣并顯示黃色；若無(wú)該待測(cè)項(xiàng)則自動(dòng)跳過并顯示藍(lán)色。不同顏色區(qū)別檢測(cè)結(jié)果使測(cè)試過程直觀，并且可根據(jù)檢測(cè)到的位置隨時(shí)調(diào)整。檢測(cè)過程是可控的，若某一項(xiàng)的檢測(cè)結(jié)果影響后面的檢測(cè)項(xiàng)可以隨時(shí)停止，避免做出冗余的檢測(cè)，也可以跳過不合格項(xiàng)目，先進(jìn)行整體檢測(cè)。

檢測(cè)數(shù)據(jù)過程完成后，該平臺(tái)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)果取出，并將其以可視化形式顯示在屏幕上。以數(shù)據(jù)可視化的柱狀圖為例說明:圖中包含各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的對(duì)錯(cuò)個(gè)數(shù)，其中橫坐標(biāo)以上代表該待測(cè)項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果正確的個(gè)數(shù)，橫坐標(biāo)以下則代表錯(cuò)誤個(gè)數(shù)，顯示順序從左到右與檢測(cè)順序一一對(duì)應(yīng)。鼠標(biāo)移動(dòng)到某一列就會(huì)顯示出該列所代表測(cè)試項(xiàng)的全稱，每隔6列會(huì)在橫坐標(biāo)顯示該列所代表的測(cè)試項(xiàng)目名稱，方便測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試順序找到目標(biāo)測(cè)試項(xiàng)。柱狀圖使結(jié)果以統(tǒng)計(jì)的形式更加直觀的顯示給待測(cè)人員，方便檢測(cè)人員觀察。柱狀圖如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)柱狀圖展示Fig.9 Data Histogram Display

根據(jù)測(cè)試結(jié)果形成客觀的測(cè)試分析報(bào)告，用文字簡(jiǎn)潔客觀的指出出錯(cuò)項(xiàng)的對(duì)錯(cuò)率和所有可能產(chǎn)生的原因，使結(jié)果分析不再完全靠測(cè)試人員主觀判斷，并且會(huì)結(jié)合每一輪檢測(cè)中所有出錯(cuò)項(xiàng)產(chǎn)生的原因給出一個(gè)整體性的分析，使結(jié)果分析更加具體全面。以測(cè)試分析報(bào)告中的缺陷分布統(tǒng)計(jì)圖為例說明，如圖10所示，可直觀看出各個(gè)功能模塊在檢測(cè)過程中缺陷的次數(shù)和缺陷數(shù)量排序。

圖10 檢測(cè)分析餅圖報(bào)告Fig.10 Detection and analysis report pie chart report

5 結(jié)束語(yǔ)

制造業(yè)能力是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)，智能化檢測(cè)是制造業(yè)的核心關(guān)鍵工藝工序。本系統(tǒng)以嵌入式車載系統(tǒng)綜合檢測(cè)為基礎(chǔ)研究，搭建一套完整的智能自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)待測(cè)車載系統(tǒng)產(chǎn)品的功能和性能進(jìn)行定性和定量檢測(cè)?；诒鞠到y(tǒng)可逐步應(yīng)用于其他傳統(tǒng)、新興制造業(yè)行業(yè)。智能化自動(dòng)化檢測(cè)不僅為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也提升產(chǎn)品性能質(zhì)量，有利于中國(guó)制造高附加值產(chǎn)品走向世界。