选择一种方法来构建灵活且经济高效的ECU生产测试系统

电子控制单元(ECU)于20世纪70年代问世。当时，由于石油危机，人们需要提高燃油的经济性，这就意味着要找到一种方法，使发动机以更清洁高效的方式工作，并减少污染。当时的发动机使用一种称为分电器的机械装置来控制点火，并且使用化油器来控制燃料混合物。该机械系统的优化和调节能力都极为有限。20世纪70年代出现的微处理器推动了ECU的发展，使ECU能够执行控制点火正时和燃料混合所需的复杂高速计算。在20世纪80年代早期，ECU成为大多数车辆的标准部件。ECU是专用于解决某个具体问题的计算机，是汽车的基本部件。

图1: 电子控制单元示例

现代车辆可能装有100多个不同用途的ECU。最常见的ECU有以下几种：

• 车身控制模块——调节多个车身部件的运行，例如车门、门锁、雨刷、灯等
  
• 动力总成ECU——控制车辆动力传动系统的正确运行，具有多种不同类型，取决于车辆是混合动力车辆、燃油车辆还是电动车辆
• 发动机控制模块——操控内燃机功能
• 远程信息处理控制单元——追踪车辆、提供方向、变更原定路线、导航等
• ADAS ECU——控制所有高级驾驶辅助系统(ADAS)功能，例如车道偏离、碰撞和其他用作事故预防功能的警告
• 网关ECU，负责不同汽车总线的“转换”

虽然每个ECU都有特定的用途，但它们都需要在制造的不同阶段进行单独测试，而且还需要在通过 通信总线和电子信号与其他组件交互时进行测试。

人们往往认为测试过程不会创造价值，测试部门只会增加成本。如果制造过程永远不会产生缺陷，系统设计总是完美无瑕，软件按预期正常工作，客户不需要退回产品，出货和进料质量问题数量始终为零，那么在这种理想的情况下，确实没有必要进行测试，因为不可能会出现问题。但事实上问题是不可能避免的，因此为了确保满足质量标准以及确保质量标准的可衡量性、可重复性及可溯源性，测试是必不可少的一个环节。

当然，还有其他原因需要进行测试。比如，汽车制造商(OEM)有自己的质量要求和标准，并且需满足长期可追溯性和监管要求。OEM通常需要部件供应商对其制造的产品进行测试，然后再交付给OEM的汽车装配厂。在装配厂，所有部件都要组装到一起并再次接受测试，最终才能制造出汽车。OEM工厂属于劳动密集型设施，对质量的要求很高。因供应商提供的组件有问题而导致的返工是不可接受的，而且代价也是非常高昂的。供应商合同通常会规定，如果供应商的供货存在缺陷，将会对其处以罚款。

为了符合OEM的要求，ECU（一级）制造商必须至少满足以下要求：

• 通过全面设计验证来证明其设计符合适用的OEM规定和规格
• 进行生产验证和测试，以证明最终产品符合所有预期
• 保留所有结果作为证据，以供进行审核和质量跟踪

一级供应商的测试工程师必须遵守所有要求，同时严格按照时间进度推出产品。本文档的其余部分重点介绍了ECU生产（终端）测试的挑战。

如前所述，虽然测试提高了制造流程各个阶段的质量水平，但人们往往还是认为测试并不会带来附加值。由于这种观点的存在，测试组织总是尽可能确保测试流程稳健、全面、快速且经济高效。为实现这一目标，他们必须面对五个主要的设计挑战：可靠性、吞吐量、灵活性、部署和成本。

1.   可靠性

在生产中，测试系统很可能需要全天候运行来测试大量产品，一旦停机就会带来高昂的损失。部分发货、延迟发货或未发货的情况是几乎不容许存在的。生产中的任何延迟，包括虚假故障、测试系统不可用以及校准问题，都可能导致停机，因此必须对这些风险加以控制。为此，测试设备必须具有高可靠性，这种可靠性可以体现为多种形式：

• 硬件在生产环境中运行的稳健性
• 高质量且稳定的测试软件和测试序列
• 系统的整体可维护性
• 相关供应商和第三方可能提供的服务

综合来看，这些因素会给测试工程师带来许多挑战。他们必须寻求解决方案，以在最短的时间内开发出尽可能高质量的测试系统，并确保该系统能够在ECU的整个生命周期内持续可靠地开展测试。

2.   吞吐量

在过去的几年里，汽车市场发生了重大变革，这场变革与半导体行业数十年前的那场变革非常相似，汽车行业生产设施的建设和部署无法跟上不断扩大的产能需求，因此需要在不增加成本的情况下，大幅减少测试设备的占用空间以及采用并行测试方法。这种新的测试方法需要打破传统的编程方法，寻找创新的方法来创建测试系统，在常规供应链之外寻找替代解决方案，以及通过培训和服务培养员工新的必需技能。

3.   灵活性

在量产过程中，测试工程师们发现ECU的测试需求不尽相同。例如，一些品牌除了要求测试核心功能之外，还要在恒温室中测试所有产品，而其他品牌可能只要求批量测试核心功能。有些品牌只要求对部分测试进行汇总统计，而有些品牌则要求对每个待测设备和所执行的每项测试进行全面记录。即便是超级测试系统，也无法满足所有产品和品牌的全部要求。测试工程师在设计测试设备时需要在灵活性和功能性之间取得平衡，以便测试设备可以快速适应不断变化的要求以及测试项目的增减，这也是一种节省成本的策略。他们必须从更全面地设计测试系统，以便测试系统能提供所有功能（实际的硬件安装、软件运行、服务编程、供应商响应需求的能力等），但这些功能不一定需要同时提供。

4.   部署和管理

考虑到市场上的主流ECU型号在盛行期之后仍会在较长的时间内继续生产（有时甚至超过十年），因此即使其产量很小，也需要快速部署相应的测试系统并对其进行长期维护。测试系统管理、软件升级、部署维护以及实时状况监控等需求都给设计带来诸多挑战，因此测试工程师除了要满足紧迫的时间节点外，还要关注长期的测试需求。一个尤为困难的挑战是维持独立的团队，同时注重运营成本，保持其透明性。当需要其他团队参与时，比如标准化机构的参与，部署和管理部门之间的协作可能也会存在挑战。在部署过程中，必然会出现协调问题，能否做好协调，又取决于能否有效沟通。而能否在正确的时间通过正确渠道提供正确数据，正是进行有效沟通的重要因素。

5.   成本

简而言之，所有的工作都必须以最合理的成本完成。然而，俗话说，能用钱解决的问题，绝不要浪费时间。这两个看似相悖的观点向测试工程师提出了一个需要长期面对的重要挑战：综合考虑测试设备的部署时长和测试设备的长期维护需求，找到价值和成本的最佳契合点。

系统的真实成本并不只是购买成本。其他短期成本包括设备、培训、维护、升级、支持和连接选项。长期成本相比之下并不太明显，取决于多个因素，例如开发时间、灵活性、可扩展性、可复用性、模块化特性和可维护性。这些因素不仅与测试系统中使用的软硬件直接相关，而且与供应商能否提供符合一级需求的服务能力直接相关。

再次强调，我们的目标是开发一款符合以下要求的生产测试系统：

1. 尽管开发时间紧张，但在整个生命周期中都能保持可靠
2. 在不增加占用空间的情况下满足吞吐量和生产需求
3. 足够灵活，可以满足当前和未来的测试需求，而不会增加成本
4. 可以在多个位置部署和管理，而不会增加不必要的运营费用
5. 在不影响质量、性能和可维护性的前提下满足成本预期

鉴于这五个挑战（以及其中的权衡折中）给测试团队带来的压力，将测试功能的开发外包给集成公司或测试供应商有助于减轻负担。测试工程师可以监督测试设备的设计并确保其符合产品测试规范(PTS)，然后部署测试数据管理系统。

然而，通过对领先测试组织开展问卷调查，NI发现事实并非如此。出于不同的原因，大多数测试经理希望其团队参与测试开发，有可能是希望实现独立性，或者希望能够灵活地适应新测试要求和产品，亦或是出于机密性考虑等。开发新测试系统通常有以下几种方法：购买现成的一站式系统、完全自建系统、拥有测试系统架构以及拥有软件架构。

购买一站式系统（也称供应商全包）

最简单的方法是购买一站式系统。在某些情况下，这可能是最佳解决方案， 特别是在产品已实现商品化并且没有需求变化预期，且供应商关系稳固等情况下。对于汽车行业来说，这种方法的主要风险是行业的变化速度非常快。新标准将要求一级汽车测试商必须继续为其测试系统支付服务和升级费用，除非他们决定淘汰目前的一站式方法。

完全自建系统

另一种完全相反的方法是测试人员完全自行开发测试方法，有时甚至连硬件都要自己开发，而供应商仅仅需要提供一些独立的组件，比如仪器。虽然这种方法不是特别常见，但如果公司正在引入创新技术，或者根据其市场战略需要全权控制其所有组件，这种方法就非常有效。

拥有测试架构

对于要测试的ECU，最熟悉它们的莫过于设计该ECU并建立PTS文档来阐明测试系统要求的团队。但是由于汽车行业瞬息万变，这种方法需要设计一种架构，这种架构需要既能够提供灵活性，又能够减少测试系统因满足新标准可能需要的返工量。实际上，这种方法基本上相当于提供一种两全其美的超级测试解决方案。

但是，这种解决方案也有一些主要考量因素，包括培养内部人员的测试开发能力、使用正确的硬件或平台构建系统，以及使用正确的软件开发测试模块和管理测试系统。

较大的供应商为许多不同的领域提供ECU，并且需要设定标准来集成定制ECU要求，因此亟需这种解决方案。这种方案要求部门和测试小组之间进行大量协调工作，并解决各自面临的挑战，比如定义需求时的“范围蔓延”、每个人对供应商和技术的偏好差异，甚至各种OEM限制。

拥有软件架构

随着核心要求的趋同，这种方法的应用日益普及。拥有软件架构的公司可以节省硬件开发资源，主要通过软件和测试功能来获得优势。

尽管在协调和供应商评估方面存在类似挑战，但在软件层面实现标准化以及将硬件开发责任转交给少数获得批准的供应商更为容易，这对公司来说是一个优势。

这种方法有两个主要考量因素：一是供应商的选择，二是需要投入资金来培养软件开发能力；然而，软件开发所带来的优势可以迅速产生巨大的投资回报。

正如预期的那样，每种方法各有利弊，因为每种方法所依赖的因素都会因项目、公司愿景、现有基础设施、预算、工程资源、位置等而异。在选择方法时，必须考虑公司的整体灵活性、特定需求，最为重要的是，是要考虑公司对标准化、竞争力和未来应对挑战能力的设想。

此外，由于不同的方法各具优势，公司可以基于ECU复杂性或所属汽车领域、制造策略和物流等因素选择合适的方法。例如：

• 对于ADAS等发展迅速的领域，测试ECU需要与供应商建立更稳固的合作伙伴关系，因为这种关系有助于形成战略合作以及获得敏锐的市场洞察力，因此拥有测试架构并与供应商稳定合作可以成为一项战略优势
• 对于自动驾驶汽车等尚不成熟的领域，公司可能会选择完全自建以保护知识产权
• 对于采用传统I/O和汽车总线通信的ECU，由于其商品化程度较高，企业可以将硬件开发任务外包，只专注于设计软件架构
• 对于生命周期较长的低成本ECU，最好的方法是采用经验丰富的供应商提供的一站式系统

因此，不论选择哪种方法，都没有对错之分。所有公司都必须认识到这一点，然后针对特定情况采取不同的方法，然后努力寻找共同点，通过标准化来获得优势。在敲定采用某种方法之前需要解决一些重要的问题，为此，公司可以参考以下场景，因为这种场景越来越普遍。

以变速箱控制模块(TCM)为例。这种类型的ECU用于控制汽车的变速箱系统，使其始终处于最佳状态，以提高性能和燃油经济性。

以下是变速器控制模块的一些典型输入和输出：

表1: 典型TCM输入和输出

通过提取信号类型，以更加图形化的方式来表示同一个TCM。

图2: TCM典型功能模块的表示方式

图3: TCM输入和输出的简图

输入和输出部分列出了测试系统的核心要求：仪表、开关、负载以及执行测试软件和测试序列的控制器。图4: 测试典型TCM的仪器的核心功能模块、负载和开关

由于不同ECU之间大部分元素是一样的，因此测试系统之间的大部分元素也是相似的。这使得工程师至少能够在硬件级别上实现标准化。但是，大规模的标准化工作不仅仅需要协调硬件及其操作，还涉及公司战略、供应商关系、风险管理以及许多其他依赖关系。

这时，在软件层面上进行标准化就显得较为合理，实现的可能性也大大提高。图5更为全面地显示了生产测试系统的预期表现。

图5: TCM生产测试系统的共同要素

在ECU生产测试市场中，几乎所有供应商都为一级供应商提供硬件和软件，以提供一个初始系统来执行图4中模块所代表的功能。他们声称该方法的兼容性最好，同时还能确保“足够”的开放性。大多数供应商还提供封闭式台式仪器，这些仪器运行不同的固件，各自独立运行，但在生产测试中这样做并没有必要，而且增加了不必要的成本。

为了让这种方法行之有效，公司需要从差异化的角度来评估他们的系统。虽然供应商可以为任何有需求的公司提供相同的硬件和软件，但是一级供应商，尤其是测试开发团队，必须通过差异化来获得竞争优势。当测试系统首先接受软件方面的评估时，拥有软件架构就成为实现市场差异化的关键一步。

如果公司以软件作为标准并将硬件选择的工作转交给供应商，我们建议测试开发团队将时间花在确保软件具有适应性和灵活性，以满足未来的需求来适应硬件的变化。

例如，测试开发团队可以专注于构建包含测量和硬件抽象层的测试框架，使其不依赖于硬件；创建插件来确保测试系统可以无缝连接到将要部署的工厂的制造执行系统(MES)；以及创建能够适应不同语言、ECU、测试类型、报告等的标准操作界面。

领先供应商的产品通常具有开放性，可以为测试工程师提供更高层次的起点。这有助于工程师专注于软件开发而不是底层细节，如负载接线、仪器等。这样可以帮助他们专注于开发抽象层、框架以及实现与公司专用工具的兼容性等任务。

图6: 更高的集成度有助于测试工程师专注于通过软件实现差异化，而不是将时间花费在系统配置、采购和布线上。

一级供应商可以采用不同的方法来应对开发ECU生产测试系统所面临的各种挑战。这些方法本身并不存在孰优孰劣之分，公司应该从具体项目的需求来看待每种方法。

在开发这些测试系统时，有一个因素的重要性日益凸显，即通过差异化来提高价值并将生产测试转化为竞争优势。这可以通过使用软件以及与少数可信赖的合作伙伴和供应商进行合作来实现。通过这种合作，一级供应商和其他公司的测试工程师可以基于更高的起点开发测试系统，并专注于可以增加价值或保护其开发的事项上：即ECU、ECU测试软件，以及与制造合作伙伴的集成。

生产测试不一定只会消耗成本，如果采用正确的策略，是可以给企业带来竞争优势的。一级供应商应该改变传统观念，专注于自己的优势，并与拥有相同愿景的合适供应商建立稳固的合作伙伴关系。