使用软件定义的自动化测试系统，进行高级汽车电子测试

作者：

Tomohiko Adachi - 马自达汽车公司
Hideyuki OKADA - 马自达汽车公司
Noriaki Kittaka - 马自达汽车公司
Masaya Taniguchi - 马自达汽车公司
Yasuhisa Okada - MAC Systems Corporation

背景

众所周知，汽车集成的电子产品越来越多，而且这一速度也在日益加快。电子产品现已成为许多汽车组件的一部分，小至自动雨刮器和门锁，大至照明、空调、动力总成、信息娱乐系统，甚至各种安全系统，无一不集成了各种电子产品。最初，汽车配备的CPU屈指可数。而现在，汽车上的CPU数量已近百。

为了向客户提供优质产品，马自达电子测试和研究团队需要评估所有电子元件的“逻辑”和“稳健性”。“逻辑”指的是每个电子元件的功能。要理解“稳健性”的概念，首先必须了解电子元件并非总是在理想的工作环境下运行。例如，组件可能会暴露于极端条件下，如电源电压不稳定、噪声很大或输入信号不理想。“稳健性”是指元件在极端环境中使用正确逻辑正常工作的能力。换句话说，我们希望评估每个电子元件对这些恶劣条件的承受力。

挑战

电子元件的逻辑和稳健性一直都是需要评估的对象。过去，汽车仅使用几种电子元件来执行简单的功能，每个元件都是在专门准备的环境中单独进行的。但随着电子元件日益多样化，且功能日益复杂，这种操作的弊端渐渐显露出来。现在，多个电子元件系统之间会进行通信，并且系统的运行与其他系统息息相关。除了对系统逐个进行测试外，还必须进行多系统测试，以便有效地评估这些系统的功能。除了元件的稳健性，系统的稳健性也必须进行评估。随着组件和装置种类的日益丰富，要评估的项目数量呈指数增长。因此，显然，评估系统需要自动化。

马自达在大约十年前就已经意识到这些需求了，但却找不到满足所有需求的评估系统。鉴于这种情况，我们决定迎难而上，解决这个问题。换而言之，我们决定开发一个自动化系统来验证逻辑，并全面评估电子元件协同工作的稳健性。

解决方案/优势

我们需要开发的系统将会非常庞大复杂。因此，开发工作预计需要分阶段在数年内完成。 图1是第一阶段的示意图。阶段-1系统由以下元件组成：HILS（硬件在环仿真）引擎、机器人和图像处理系统。开发HILS引擎的NI HILS系统由PXI（用于仪器的PCI扩展）产品和RIO（可重配置的I/O）模块组成。我们使用LabVIEW系统设计平台，开发了这些硬件产品所需的软件。

将HILS纳入此系统的原因如下：首先是马自达一直朝着“全球首创”的目标努力。比如，马自达致力于推进基于模型的解决方案的开发和实际应用，以保持领先优势。鉴于这种创新文化，在可能的情况下，我们当然希望利用模型评估电子元件。但是，我们知道有些元件根本无法建模。对于不适合建模的零件，通常的做法是采用其他系统，但这次最终我们决定扩展HILS系统的功能。NI PXI平台适用于构建多种测试系统，因此我们可以在一个系统上同时构建HILS部分和扩展部分。

有些元件无法建模，而人车界面的开发也非常具有挑战性。举个简单的例子，速度计就是一种无法建模的元件。假如速度计显示车速值为“50公里/小时”。在这种情况下，控制器会将显示“50公里/小时”的命令作为电信号发出。这种信号可以在仿真过程中进行评估，也可以在实际车辆上进行确认。只要系统运行正常，在接收到信号后，速度计会显示“50公里/小时”。然而，为了检查实际是否显示了“50公里/小时”，需要人工目视确认显示结果。换句话说，驾驶员对汽车信息的感知过程无法建模。类似地，驾驶员为了向汽车传递信息而执行的操作也无法建模。例如，驾驶员可以按下按钮来打开/关闭空调，或者点击触摸面板来操作导航系统。但我们根本不可能建立一个模型来准确地复制这些操作所带来的细微状态变化。

虽然验证无法建模的系统极具挑战性，但秉承马自达“Be a driver”的一贯宗旨，我们决定投入更多精力，为这些具有挑战性的领域开发测试工程策略和方法。前文提到，为驾驶员与汽车之间的交互行为建模非常困难。但是简单来说，如果驾驶员要将信息传达给汽车（电子元件），就需要操纵按钮或其他类型的仪表。而这种操作需要通过人手来实现。事实上，手动执行这些测试是可行的。但是，手动测试需要大量的时间和人力。因此，制定自动化评估机制就非常关键。为了满足这个需求，我们加入了一台机器人来操作电子元件。机器人通过电脑进行控制，代替人按下按钮，并点击触摸面板。同样，我们还需要考虑如何将信息从汽车（电子元件）传达给驾驶员。回到车速表的例子，传统的测试过程由人工目视检查，确定实际是否显示“50公里/小时”。为了实现这部分评估的自动化，我们增加了一个图像处理系统。具体来说，这一自动化过程是指使用摄像头拍摄速度计的显示器，然后处理获取的图像来确定显示结果是否正确。例如，如果使用七段LED显示屏显示速度，摄像头将拍摄LED显示屏并处理获取的图像，从而识别数字并确认显示的速度。或者，如果使用指针显示器来显示速度，图像处理时则会测量指针的角度，并使用该值来计算以公里/小时为单位的速度。通过监测和比较来自控制单元和显示器的信号，系统可以确定速度是否正确显示。

在该系统中，我们也可以借助软件使用虚拟系统（虚拟电子元件）来替代每个电子元件。以前，我们只能在所有电子元件开发完成后才能开始评估，这是一个很大的限制。但我们希望尽快开始测试，获得结果，因此我们会尽可能使用虚拟电子元件替代实际元件。这些虚拟元件不仅能够像真实元件那样工作，而且外观上也非常接近。通过利用虚拟元件，我们可以灵活进行测试。根据测试内容，在必要时可以使用实际零件；否则，请使用虚拟元件替代。

上述内容描述的都是自动化测试系统的逻辑验证元件。要评估稳健性，我们还需要添加更多功能。除了简单地确定逻辑是否正确，马自达还非常重视稳健性的验证。在马自达，要评估稳健性，首先需要在逻辑正常运行的情况下，确定元件接近其极限的条件，然后确定余裕量。余裕量对于判断产品是否合格而言非常必要，但需要根据内部的独立标准来确定。借助此评估流程，公司能够为用户提供出色的体验，同时也可为马自达及其供应商的设计部门提供精确的反馈。

在所有用于测试稳健性的条件中，最具代表性的是电源电压波动和高噪声环境。例如，我们可以改变电源电压，以此确定所评估电子元件发生故障的临界点。为了评估高噪声条件下的稳健性，我们为第二阶段的系统增加了一个噪声仿真器（见图1）。

然而，不利条件下的逻辑性能并非稳健性评估的唯一指标。例如，车辆功能包括使用语音命令来操作车辆。这也在稳健性评估的范畴内。为了实现这一点，我们在系统中增加了语音合成系统。该系统兼容日文和英文两种语言，并且会以男性或女性、年轻人或老年人等各种不同的声音发出语音命令，并且不同声音具有不同的强度和清晰程度。我们需要评估系统的稳健性，从而确定在不同的条件下正确识别指令的程度。

第三阶段增加了GPS仿真器。模拟无线电信号可指代日本境内不同位置的GPS坐标，此GPS仿真器生成的便是这种信号。这样，我们无需实际前往各个地点就能够进行模拟评估。即使GPS模拟器的无线电波强度不断改变，我们还是希望评估系统能正确运行。换句话说，这是稳健性评估的另一个要素。请注意，在第三阶段，操作机器人已经升级，能够一次触摸或点击多个位置。

在第四阶段，我们对GPS模拟器进行了升级，可在全球范围内使用。另外，语音合成系统也新增了西班牙语。我们还增加了一个蓝牙信号分析仪和一个用于检测安全漏洞的模糊测试工具（见图2）。但是，如果系统具备上述所有功能，则需要占用相当大的空间。为了使测试更加方便，我们将系统分成几个小型子系统，每个子系统都包含原始系统的几个特定功能（见图3和图4）。

通过这种方式，我们成功构建出了一款先进的系统，能够自动评估多个协同工作电子元件的逻辑和稳健性。我们开发的系统不仅前所未有，采用全新的理念，而且非常复杂、规模庞大。这一成功归功于以下几个因素。

首先，马自达拥有一个电子测试和研究小组。也就是说，马自达拥有自己的专业内部测试工程团队，这为公司走向成功奠定了基础。随着电子元件评估技术开始进入瓶颈期，测试工程师需要思考如何改进技术。面对这样一个复杂的问题，如果将大部分测试相关问题都丢给外包商，似乎无济于事。拥有这一支高度专业化的内部团队，意味着公司可以充分探索各种可能的解决方案和相应的实现方法。换句话说，马自达自己的内部团队在解决这些问题时发挥了主导作用，这一点至关重要。

另一个影响因素是NI产品系列。NI的优势之一是NI以平台为中心的生态系统，其中包括合作伙伴和相关公司的兼容产品。例如，我们构建的系统包含了机器人、图像处理系统、语音合成系统和其他各种元件。要想从一家公司获取所有这些元件，可能十分困难。因此，我们从不同公司选择了最合适的元件，然后使用LabVIEW和其他解决方案将其与NI HIL系统集成在一起。这便是我们成功的关键因素，NI生态系统为此提供了强大的支持。当然，如果适用的话，我们也可以选择集成常用的一站式解决方案。不过，鉴于我们的目标是构建独一无二的系统，因此NI解决方案是最符合我们需求的选择。

此外，NI产品可提供高性能和高编程自由度，因此非常适合开发此系统。在硬件性能方面，高采样速率（时间分辨率）是一个重要的考量因素。在我们的系统中，逻辑验证需要毫秒级的时间分辨率。另一方面，如果不能以微秒级进行采样，噪声的影响便很难评估。NI硬件是唯一能够以微秒级进行采样的产品。另外，NI硬件还包含一个用户可编程的内置FPGA。其他产品均无法提供这种自由度。如果采用一站式解决方案，每次汽车更新换代时，用户很可能都需要购买全新的系统。而NI解决方案不仅具有灵活性，而且还具有可持续性。几乎所有的NI硬件都可以持续使用，只需添加或修改选定的模块即可。此系统的另一个巨大优势是能够适应未来需求。

我们新开发的系统能够对多种协同工作的电子元件进行逻辑验证和稳健性评估。事实上，以前并没有哪个系统能够帮助我们获得如此巨大成功。此外，我们还实现了各种测试相关操作和结果判断的自动化。这极大地减少了工作量，给我们带来了巨大的优势。与手动测试相比，测试单个电子元件所需的时间缩短了90%。此外，我们使用摄像头拍摄仪表显示器（如速度计），然后使用系统的自动评估功能来处理图像，与过去的旧方法相比，这一做法所用的工时减少了90%。

截至2019年，已实现以下商业影响。

1.减少与供应商进行故障排除的时间，提高系统原型的质量

• 通过使用通用评估平台共享详细的测试条件，减少故障排除所用时间。

• 缩短复制发生低频或偶发事件情况的时间。

• 由于测试覆盖范围更全面，供应商开发的原型质量得以提高。

   

2.升级成本降低90%

马自达现在可以通过替换PXI板卡（例如，I/O、通信接口板卡）和PXI控制器顺利进行系统升级，而无需重新配置整个测试系统或完全购买新的一站式解决方案。因此，马自达在现有IVI评估功能的基础上增加了ECU评估功能。根据测试总成本，马自达预计通过使用NI平台可节省约90%的成本。

3.缩短上市时间

以往执行验证测试的时间通常要比研发阶段短，当然新车开发的发布日期是固定的。因此，测试工程师需要在更短的时间内构建验证环境并提高测试覆盖率。马自达充分利用NI平台解决了这一难题。

未来开发计划

我们新开发的系统将继续逐步完善。目前，我们的目标是使用此NI产品系统评估所有的电子元件。因此，电子测试和研究团队目前的工作重点是评估所有电子元件，包括动力总成相关元件。在使用这个新开发的系统之前，我们使用一站式HIL系统评估动力总成的相关组件。因此这些组件不属于这个新开发系统的目标。

但无论是发动机还是电子元件，马自达都将朝着既定目标继续勇往直前。此外，汽车零部件的创新也要求对测试进行创新，因此马自达将持续不断地完善其评估流程。

作者信息：

Tomohiko Adachi
马自达汽车公司
広島県安芸郡府中町
日本