車機與空調(diào)HIL交互測試研究

梁瑋　李星望　付吉

【摘? 要】為保證汽車車機與空調(diào)交互功能的可靠性，分析車機與空調(diào)的交互控制策略，基于dSPACE實時系統(tǒng)設(shè)計車機與空調(diào)HIL交互測試方案，利用車機、空調(diào)的接口定義表進行I/O模型配置，并建立資源映射關(guān)系的信號列表，按照交互控制功能模塊開發(fā)上位機測試界面，根據(jù)功能設(shè)計規(guī)范開發(fā)測試用例，通過上位機模擬車機與空調(diào)交互的各種工況。經(jīng)驗證，車機與空調(diào)交互功能測試和故障診斷測試通過，確保了車機與空調(diào)的交互功能和故障診斷功能的可靠性。

【關(guān)鍵詞】交互測試；HIL；車機；空調(diào)

中圖分類號：U463.851? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0084-04

Study on HIL Interaction Test Between Entertainment Communication System and Air Conditioning

LIANG Wei，LI Xing-wang，F(xiàn)U Ji

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】In order to ensure the reliability of the interactive function between the entertainment communication system and air conditioning，the interactive control strategy between the entertainment communication system and air conditioning was analyzed. Based on dSPACE real-time system，HIL interactive test scheme between the entertainment communication system and air conditioner was designed，and the interface definition table between the entertainment communication system and air conditioning was used to configure the I/O model，and the signal list of resource mapping relationship was established. According to the interactive control function module，the upper computer test interface was developed. According to the functional design specification，the test cases were developed. It has been verified that the interactive function test and fault diagnosis test of the entertainment communication system and air conditioning were passed，which ensured the reliability of the interactive function and fault diagnosis function of the entertainment communication system and air conditioning.

【Key words】interaction testing；HIL；entertainment communication system；air conditioning

1? 引言

智能網(wǎng)聯(lián)成為汽車行業(yè)新趨勢，汽車電子電器功能高速增長帶來更高的軟件故障率風險，與用戶高頻交互的車機、空調(diào)等電控系統(tǒng)一旦發(fā)生故障將嚴重影響用戶體驗。廣州汽車集團的黃欣等人[1]，美的集團的李日新等人[2]，江淮汽車集團的蒯家琛等人[3]均通過HIL測試系統(tǒng)驗證空調(diào)系統(tǒng)的控制策略。廣州汽車集團的鄭淳允等人[4]通過自動化測試平臺驗證汽車車機的功能策略。由以上研究可知，傳統(tǒng)的電子控制器單體測試已經(jīng)很成熟，具備完整的軟硬件、系統(tǒng)驗證流程，然而經(jīng)過測試的控制器匹配整車后仍會產(chǎn)生很多與其他控制器的交互問題，因為控制器單體測試沒有考慮實車環(huán)境下多域多控制器交互的場景，無法復現(xiàn)實車完整故障環(huán)境。因此，多控制器交互測試成為HIL測試新方向。

HIL（Hardware In the Loop），即硬件在環(huán)，硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)是以I/O板卡與被測電控單元的引腳連接，通過實時處理器運行I/O模型和物理模型構(gòu)建被控對象的測試環(huán)境，對被測電控單元進行各種工況的功能、性能測試[5]。硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可以進行充分的控制器邏輯和極限工況驗證，不會對車輛、零件和試驗人員造成危害，減少實車測試問題數(shù)量，提前在電控系統(tǒng)開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)問題；快速重現(xiàn)用戶使用場景中復雜的故障模式，將售后問題添加到測試用例庫，保證相同的售后問題不再發(fā)生；實現(xiàn)全天候的自動化測試，測試效率遠高于實車手動測試，可實現(xiàn)軟件功能的快速迭代[6]。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)也逐漸向智能化發(fā)展，空調(diào)操作由傳統(tǒng)的機械旋鈕、按鍵逐步向網(wǎng)聯(lián)車機觸屏控制過渡。本文基于HIL測試方法，通過dSPACE實時系統(tǒng)搭建網(wǎng)聯(lián)車機與自動空調(diào)交互的測試環(huán)境，對車機、空調(diào)交互控制策略進行驗證。

2? 車機與空調(diào)交互控制原理

本文空調(diào)為自動空調(diào)。車機與空調(diào)采用CAN網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)車機與空調(diào)的信息交互。車機負責空調(diào)功能的操作及顯示，空調(diào)控制邏輯則在空調(diào)控制模塊實現(xiàn)。通過操作空調(diào)面板或點擊車機屏幕導航欄的空調(diào)圖標進入車機的空調(diào)控制頁面，空調(diào)控制包含風量調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、吹風模式、循環(huán)模式等功能。

操作車機屏幕的空調(diào)控制圖標，信號通過CAN通信發(fā)給空調(diào)控制模塊?？照{(diào)控制模塊接收到信號后，結(jié)合采集的傳感器硬線信號及其他節(jié)點發(fā)送的CAN網(wǎng)絡(luò)信號，對空調(diào)系統(tǒng)的溫度、風量、出風模式、換氣、壓縮機、負離子發(fā)生器等進行自動控制，以滿足用戶對空調(diào)舒適性體驗的需求?？照{(diào)控制模塊將當前系統(tǒng)狀態(tài)通過CAN通信反饋給車機，車機接收到信號，將相應的空調(diào)運行狀態(tài)顯示到車機屏幕上。同時空調(diào)控制模塊也會將當前系統(tǒng)狀態(tài)通過LIN通信反饋給空調(diào)面板，將空調(diào)運行狀態(tài)顯示在空調(diào)面板上。車機與空調(diào)控制模塊的交互原理圖如圖1所示。

3? 車機與空調(diào)交互測試實時系統(tǒng)方案

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

HIL實時系統(tǒng)關(guān)注的重點在控制器，因此在車機與空調(diào)的交互測試系統(tǒng)中，車機控制器和空調(diào)控制模塊、空調(diào)控制面板、空調(diào)箱（電機執(zhí)行器）均為實物，而電控系統(tǒng)其他元素如傳感器、CAN均采用仿真的形式。

車機與空調(diào)HIL交互測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，通過dSPACE SCALEXIO技術(shù)構(gòu)建車機與空調(diào)HIL交互測試系統(tǒng)。利用機柜的多功能I/O板卡模擬空調(diào)控制模塊的傳感器輸入信號以及采集空調(diào)控制模塊驅(qū)動空調(diào)箱的控制信號，CAN通信板卡模擬CAN網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的CAN信號，空調(diào)控制模塊和車機控制器通過CAN線通信，空調(diào)控制模塊和空調(diào)面板通過LIN線通信，車機控制器通過LVDS線將圖像信號傳輸?shù)杰嚈C屏幕顯示，上位機通過光纖與機柜通信，并進行實時硬件的圖形化管理、虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控及分析、變量及參數(shù)的可視化管理、故障注入及診斷等。

3.2? I/O配置

HIL測試系統(tǒng)的I/O配置由Simulink I/O模型和信號列表共同完成，其基本思路是通過模型配置管理機柜的板卡資源分配，建立板卡ID、板卡信號、I/O信號通道和控制器引腳的追溯關(guān)系，配置I/O特性，形成信號列表，在項目過程中控制器引腳發(fā)生變更時，可以快速適應變化。其中RTICANMM是CAN總線仿真模塊，在模塊中可導入DBC文件，可仿真網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點控制器發(fā)送的報文，模擬校驗和Checksum和計數(shù)器Counter，通過修改報文周期、控制報文收發(fā)實現(xiàn)CAN通信的故障注入仿真[7]。

RTI（Real-Time Interface）模塊是連接Simulink I/O模型和dSPACE實時系統(tǒng)的橋梁。RTI對Simulink庫進行了擴展，無需手寫代碼，只需要連接RTI庫里的框圖即可實現(xiàn)對I/O接口的初始化配置。完成I/O模型的開發(fā)和參數(shù)配置后，點擊Simulink的“Build Model”按鍵，RTI即可自動生成代碼并編譯下載到實時系統(tǒng)中，實現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼的無縫自動下載。而I/O模型中配置的所有信號和參數(shù)可通過RTI編譯時生成的變量文件，由上位機軟件ControlDesk調(diào)用及更改。

HIL測試系統(tǒng)使用了DS2211和DS4004等板卡，用于電源、傳感器信號、CAN/LIN信號仿真以及控制信號采集。如圖3所示，車機控制器與空調(diào)控制模塊的I/O模型配置了數(shù)字輸入輸出通道（DIG_IN/DIG_OUT）、電阻通道（RES）、模擬信號采集通道（ADC）、CAN和LIN通信通道。表1為空調(diào)控制模塊的部分信號列表，定義了控制器每個引腳、機柜插接件引腳、板卡通道之間的聯(lián)系。

3.3? 測試界面開發(fā)

上位機軟件ControlDesk是HIL測試過程的綜合管理軟件。利用ControlDesk可實現(xiàn)以下功能。

1）對板卡的圖形化管理。ControlDesk對板卡進行注冊管理，檢查內(nèi)存的大小以及處理器的時鐘頻率，實現(xiàn)目標程序的下載，控制實時系統(tǒng)的啟動及停止，并監(jiān)視硬件故障。

2）建立試驗管理虛擬儀表。通過虛擬儀表實現(xiàn)上位機與實時系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)交換，在實時系統(tǒng)運行過程中調(diào)整被測控制器的輸入?yún)?shù)，記錄測試過程數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。

3）變量的可視化管理?？赏ㄟ^拖拽方式實現(xiàn)RTI生成變量文件的圖形化訪問，并建立變量與虛擬儀表的關(guān)聯(lián)。除了一般的信號變量外，還可以訪問程序執(zhí)行時間、采樣時間、中斷優(yōu)先級等實時變量。

4）參數(shù)的可視化管理。通過變量樹生成參數(shù)文件并進行參數(shù)批量更改，依次調(diào)入不同參數(shù)文件以驗證參數(shù)對測試的影響。

5）測試自動化?？删幹谱詣踊_本對標準化功能進行自動化測試。

6）故障注入仿真測試。在故障注入窗口可操作故障注入板卡模擬被測控制器的線路故障，包括開路、對搭鐵短路、對電源短路、對其他信號短路。

7）按照車機與空調(diào)的交互控制策略將測試界面模塊化劃分，如圖4所示，包括電源、吹風模式、風量調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、循環(huán)模式等。各測試界面模塊設(shè)置對應的傳感器信號輸入控件和控制信號監(jiān)測控件。通過CAN配置模塊生成CAN信號仿真和監(jiān)測控件，仿真其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的CAN信號，監(jiān)測車機與空調(diào)交互的CAN信號。故障注入界面設(shè)置信號對搭鐵短路、對電源短路、開路等故障模式[8]。

3.4? 開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試

開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試的主要工作是對控制器與HIL機柜板卡的接口進行一致性測試，確保板卡仿真的傳感器信號與控制器內(nèi)部收到的一致，板卡采集的執(zhí)行器驅(qū)動信號與控制器內(nèi)部發(fā)出的一致。以環(huán)境溫度傳感器仿真為例，完成空調(diào)控制模塊的I/O模型配置和測試界面開發(fā)后，在上位機界面輸入環(huán)境溫度傳感器的仿真值，通過CAN配置模塊讀取空調(diào)控制模塊發(fā)送的環(huán)境溫度CAN信號，若兩者的值相等，則環(huán)境溫度仿真通道的開環(huán)調(diào)試成功，其他通道同理。

4? 測試用例開發(fā)

按照車機、空調(diào)系統(tǒng)功能規(guī)范開發(fā)交互控制測試用例，將測試用例分為12個需求覆蓋點：空調(diào)開啟及彈窗策略、溫度設(shè)置、風量調(diào)節(jié)、循環(huán)模式調(diào)節(jié)、A/C調(diào)節(jié)、空調(diào)開關(guān)、auto調(diào)節(jié)、吹風模式調(diào)節(jié)、前除霜調(diào)節(jié)、后除霜調(diào)節(jié)、空調(diào)小綠葉和情景模式。

每個需求覆蓋點的測試用例按照開發(fā)思路又分為：正向功能測試、壓力測試、故障注入和失效模式測試、用戶體驗測試、歷史問題及場景測試。

測試用例設(shè)計方法通常采用等價類劃分法、邊界值法、枚舉法、場景分析法、因果法、狀態(tài)轉(zhuǎn)移法、錯誤猜測法等。

5? 測試實施

基于搭建的車機、空調(diào)交互測試系統(tǒng)，對車機、空調(diào)的交互功能、故障診斷功能開展測試。

5.1? 交互功能測試

5.1.1? 溫度調(diào)節(jié)

前置條件：電源供電13.5V，點火開關(guān)為ON，車機處于空調(diào)控制界面，空調(diào)控制溫度設(shè)為20℃。

操作車機溫度加減圖標，車機通過CAN通信發(fā)送相應的控制信號給空調(diào)控制模塊，空調(diào)控制模塊進行處理后將溫度狀態(tài)信號通過CAN反饋給車機，通過LIN反饋給空調(diào)面板并顯示相應溫度。點擊溫度“+”圖標一次，設(shè)定溫度增加0.5℃；點擊溫度“-”圖標一次，設(shè)定溫度減少0.5℃。測試結(jié)果如圖5所示，測試結(jié)果表明車機能夠正確識別駕駛員溫度加減操作，空調(diào)控制模塊能夠正確接收車機發(fā)出的溫度調(diào)節(jié)信號，并執(zhí)行溫度調(diào)節(jié)動作，車機與空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)交互功能正常運行。

5.1.2? 內(nèi)外循模式

前置條件：電源供電13.5V，點火開關(guān)為ON，車機處于空調(diào)控制界面，當前循環(huán)狀態(tài)為外循環(huán)。

點擊車機循環(huán)模式圖標，車機通過CAN通信發(fā)送相應的控制信號給空調(diào)控制模塊，空調(diào)控制模塊進行處理后將內(nèi)外循環(huán)狀態(tài)信號通過CAN反饋給車機，通過LIN反饋給空調(diào)面板，工作指示燈顯示相應的工作狀態(tài)。測試結(jié)果如圖6所示，車機能夠正確識別駕駛員內(nèi)外循環(huán)切換操作，空調(diào)控制模塊能夠正確接收車機發(fā)出的內(nèi)外循控制信號，并驅(qū)動循環(huán)電機動作，將最新內(nèi)外循狀態(tài)更新到面板上。測試結(jié)果表明車機與空調(diào)的內(nèi)外循切換交互功能正常運行。

5.2? 故障診斷測試

前置條件：電源供電12V，點火開關(guān)為ON，總線正常通信，清除故障碼。

當傳感器監(jiān)測電壓持續(xù)500ms為0V時，空調(diào)控制模塊記錄故障碼，并將車外環(huán)境溫度設(shè)為20℃。當傳感器監(jiān)測電壓持續(xù)500ms≥0.05V時故障恢復。診斷工具發(fā)出清除故障碼指令或經(jīng)過40次無故障操作循環(huán)（點火鑰匙從ON～OFF）后，歷史故障診斷碼被清除。測試結(jié)果如表2所示，測試結(jié)果表明空調(diào)控制模塊的環(huán)境溫度傳感器對搭鐵短路故障診斷功能正常運行。

6? 結(jié)論

本文介紹了汽車網(wǎng)聯(lián)車機與自動空調(diào)的交互控制策略，基于dSPACE實時系統(tǒng)構(gòu)建了車機與空調(diào)的HIL交互測試系統(tǒng)，并說明了構(gòu)建測試系統(tǒng)的每個流程環(huán)節(jié)，根據(jù)車機、空調(diào)的功能規(guī)范開發(fā)測試用例，最后按照測試用例對車機、空調(diào)的交互控制功能進行了驗證。

構(gòu)建多節(jié)點的HIL交互測試系統(tǒng)與單節(jié)點HIL測試系統(tǒng)相比更接近實車環(huán)境，能夠快速重現(xiàn)復雜的實車故障模式，充分驗證單節(jié)點無法測試的交互控制邏輯和實車難以測試的故障診斷工況。

參考文獻：

[1] 黃欣，賀洪江. 基于HIL的車載空調(diào)控制器的自動化測試[J]. 科技視界，2017（13）：13-15.

[2] 李日新，吳信宇，歐汝，等. 基于VeriStand的實時空調(diào)仿真測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[C]//2020年中國家用電器技術(shù)大會論文集. 寧波：電池，2020：867-873.

[3] 蒯家琛，王瑋，溫敏，等. 基于硬件在環(huán)的空調(diào)控制策略測試[J]. 汽車電器，2021（6）：76-79.

[4] 鄭淳允，巫輝燕. 汽車信息娛樂系統(tǒng)自動化測試平臺設(shè)計[J]. 時代汽車，2021（22）：150-152.

[5] 田鑫，劉全周，晏江華，等. 基于HIL的車用電機控制器故障保護策略測試[J]. 電機與控制應用，2019，46（11）：82-87.

[6] 李占旗，高繼東，劉全周. 結(jié)合運動仿真與閥信號檢測的ESC HIL測試研究[J]. 中國測試，2018，44（3）：78-84.

[7] 晏江華，劉全周，劉鐵山. 純電動汽車VCU硬件在環(huán)測試技術(shù)研究[J]. 汽車電器，2018（9）：19-23.

[8] 李占旗，劉全周，陳慧鵬. 基于系統(tǒng)級的電動助力轉(zhuǎn)向控制測試評價研究[J]. 汽車電器，2017（10）：65-68.

（編輯? 楊? 景）