Andreas Abel, ITI
为多功能装甲越野车(AMPV)中的嵌入式系统设计整体验证策略。
使用NI VeriStand和TraceTronic ECU-TEST自动化软件搭建实时测试工具，从而构造一个测试台，更快更完整地验证嵌入式系统。
Andreas Abel -ITI
René Müller - TraceTronic
ITI是系统仿真领域领先的软件和工程公司之一。SimulationX是一款标准工具，用于评估技术系统中所有组件之间的交互，完全支持Modelica语言。ITI与全球的子公司、分销商和合作伙伴合作。ITI同时也是NI联盟合作伙伴。
TraceTronic提供创新的解决方案、服务和软件产品，用于开发和验证复杂的嵌入式系统。公司的服务范围涵盖测试和开发电子控制单元(ECU)软件功能，到HIL系统的概念和实施。
Krauss-Maffei Wegmann (KMW)和其他同行公司接受了开发新一代多功能装甲越野车的挑战，为国防部队、警察、安保人员提供更为移动、模块化的技术，同时又保证了最大的安全性。KMW建造了一个由装甲钢制成的自支撑安全单元，以及一个复合装甲，为多功能装甲越野车定义了新的安全标准。装甲越野车的安全性超过了现行防护标准，同时又实现了最好的重量优化。简单的车辆操作和优化的车内人机界面(HMI)进一步提高了保护水平，确保驾乘人员可以专注于职责和任务。多功能装甲越野车驾驶越简单，对车辆驾乘人员和设备就越安全。我们与经验丰富的软硬件制造商合作，为车载嵌入式系统设计了整体验证策略。
该项目从实现HIL测试台开始。首先，我们分析了客户需求和电子控制单元(ECU)。分析结果是形成技术概念和测试台规范的基础。市场上现有的HIL仿真厂商没有标准的解决方案可满足具体项目在灵活度、集成度、价位等所有需求。所以，我们基于常规和定制产品开发了一个自定义的系统。
我们选择NI VeriStand作为实时平台。该NI解决方案基于行业标准硬件，所以我们可以用非常合理的预算来实现一个高性能的系统。此外，我们还可以根据不断增长的测试需求，以灵活且经济高效的方式扩展系统的计算能力。
为了快速计算实时模型，我们选择了配备两个英特尔Xeon至强处理器的标准服务器，两个处理器的主频均为2.53 GHz。两个处理器共有8个内核。现阶段的实时模型导致负载相对较低。日后即使没有硬件升级，也可实现系统扩展。
I/O硬件通过PXI扩展机箱连接至PC。I/O硬件仅占用一个PCI Express插槽，PXI机箱中有数量足够的空闲插槽用于其他I/O板卡。该测试台使用NI PXI板卡进行控制器局域网(CAN)通信以及模拟和数字I/O。对于一些实时的信号（例如，仿真速度传感器信号），我们添加了NI PXI-R系列FPGA模块。我们使用NI LabVIEW FPGA软件开发了一个FPGA程序。
我们还选择了具有集成故障仿真功能的信号调理单元。这降低了测试台布线复杂度，同时又不降低信号质量。为了满足一车配有两个车载电压等级的要求，我们在测试台中集成了两个可控电源。显示屏显示处理器内核的当前负载以及实时系统和实时模型的相关消息。
组合式HIL测试台的所有组件和连接线缆都完全集成在一个19英寸的机箱中。除了验证ECU软件外，我们还可以使用测试台测试小批量的系列模块，例如，带有ECU的车辆。将车辆线束直接连接至测试台，测试台即可测试带有ECU的车辆。
需求
控制器功能的复杂性日益增加，实时工厂模型的功能和建模细致程度也越来越高。现代车辆中的执行器越来越多地以受控方式操作，而不仅仅是开/关的二元模式。基于这个原因，我们选择ITI的SimulationX方案。
在该项目中，我们对所有在SimulationX中与车辆控制器交互的物理组件进行建模，包括：
与专为实时功能而设计的预配置黑盒解决方案相比，为特定任务量身定制的物理模型，或从其他实时模型派生的物理模型通常无法满足实时任务的需求。模块的开发过程中就需要保证模块的实时功能。
模型的实时功能主要通过两种机制实现。在一个实例中，使用独具一格且彻底符号化的预处理。在代码生成过程中，SimulationX自动预处理整个系统模型的物理和数学方程。通过求解和代入方程，将多次出现的表达式简化为一次计算，以及完全删除不影响特定接口信号（如内部结果变量）的量的计算，从而简化了系统。所有这一切无需用户交互即可完成，再加上代码优化等措施，可生成非常高效的实时代码。另一方面，固有频率和振动模式以及能量分布和性能分析等方法可帮助用户进行模型性能优化，从而满足所有计算时间要求。
总体而言，为本项目开发的SimulationX模型性能优异。例如，即使实现了相对较高的采样率，完整的动力传动系统模型仅需要一个处理器内核上20%的算力。
传动系统中的组件模型实现的详细程度不同，细致度由ECU的I/O要求决定。从发动机的角度来看，基于地图的模型可以精确地描述发动机的行为。然而，喷射系统执行器的要求精确的工厂建模和参数化，从控制输入到位置传感器。
在本项目中，我们针对实际喷射控制系统验证模型部件。通过将摩擦特性参数化，变速箱和变矩器的模型中包含离合器和制动器子模型。这不仅可以对换档进行建模，还可以对换档过程中的瞬态行为进行建模，例如速度梯度和换档时间。变速箱执行器不仅以开/关方式操作，还以不同制动和离合器扭矩进行无级操作。传动系统模型包括传动轴弹性，因此可以处理典型的传动系统振动。根据转向角的不同，每个车轮的弯道半径都会有所不同，因此传感器在转弯时会检测到不同的车轮速度。
除了控制器输出信号外，传动系统模型还处理制动系统模型提供的制动扭矩并将扭矩应用在车轮上。因为速度信号频率太高，实时模型无法生成要传递给ECU的传动系统速度传感器输出。这些信号由FPGA生成。该模型仅提供通过传感器的轮齿的脉冲频率。
所示模型在实时系统的一个处理器内核上运行，周期时间为0.1 ms。模型占用的计算资源不到处理器内核的20%。
为了充分利用HIL测试台，我们需要一个灵活的测试自动化环境。由于KMW的内部开发需要进行大量的回归测试。出于质量和成本的原因，自动化测试必不可少。
在本应用中，使用了TraceTronic的测试自动化环境ECU-TEST。该工具用于指定、实现、执行和记录测试案例的结果。
通过在相应测试环境中针对不同开发阶段更改信号的对应关系，实现测试案例重用，为用户节省宝贵的时间。测试以图形化方式设计，无需手动编辑任何源代码。
ECU-TEST中实现的回归测试涵盖了所需验证级别的全部，从低级别测试（例如，激励ECU输入、观察CAN上的各自响应）到测试高度交互的复杂功能（例如，故障管理、故障识别）。测试工作量减少到之前所需工作量的15%。同时，测试深度显着增加。
使用复杂和互连的ECU，有助于生产出技术先进、防护性好、自重更轻的多功能装甲越野车辆，汽车制造商对整个系统，包括整车、内部开发的ECU和外部供应商提供的ECU负有责任。所有ECU都必须统一集成和测试，以便在第一时间正确安装到车辆上。
新型HIL测试台将广泛认可的标准硬件软件通过独一无二的方式组合在一起。客户可以获得价格更好，扩展度更高的验证框架，该框架由HIL测试台、定制的实时模型和高度自动化的测试环境组成。汽车制造商可以用更好的办法集成不同的车辆ECU，同时还能确保成本效益。客户可以充分享受可扩展性和I/O灵活性带来的好处。借助实时模型在环，可以快速验证多功能装甲越野车的ECU网络，从而提供一种优化整个系统的集成方法。在该项目中，与非HIL测试方法相比，测试工作量减少了85%，同时测试深度有显着提高。
我们使用NI实时硬件和NI VeriStand软件，模型开发和HIL测试台集成的过程非常高效。使用模型、测试台软件和硬件之间定义清晰的接口，在所有三个领域并行开发活动。NI VeriStand上手简单，帮助我们快速启动并运行HIL测试系统。可扩展的环境保证了HIL测试系统的扩展性，以满足未来的需求。NI VeriStand易于配置，可根据测试要求的变化修改配置，例如，信号和模型需要重新布线进行调试。NI VeriStand与实时和FPGA硬件的原生集成使测试系统能够满足必要的定时要求，并支持未来的测试扩展。
Andreas Abel
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