马自达利用软件定义自动化测试系统 助力汽车电气化
2018-10-11 来源:汽车电子应用
基于NI平台使用PXI产品、可重新配置的I/O模块(FPGA)和LabVIEW构建HILS系统,并集成噪声模拟器、GPS模拟器和语音合成系统等其他元件来评估鲁棒性,同时集成机器人和图像处理系统来实现任务自动化。

众所周知,汽车正在快速融入越来越多的电子产品。 从自动雨刮器和门锁开始,电子产品已经成为许多汽车组件的一部分,包括照明、空调、动力总成、信息娱乐系统,甚至各种安全系统。 一开始,汽车仅配备了几个CPU。 而现在,汽车中的CPU数量已近百。为了向客户提供高品质的产品,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“鲁棒性”。'逻辑'是指每个电子组件的功能。 而要理解“鲁棒性”这一概念,首先需要认识到电子元件的工作环境并不总是处于理想状态。 例如,元件可能会暴露于极端的条件下,如电源电压发生波动、噪声级别较高或输入信号不理想。 “鲁棒性”是指组件在极端环境中正常工作的能力。 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。

然而这也是挑战所在——构建一个自动化系统,从头到尾全面检验逻辑并评估相互协作的电子元件的鲁棒性,包括相关操作和结果判断。马自达团队表示,电子元件的逻辑和鲁棒性一直都在评估的范畴内。 过去,仅有几种电子元件执行简单的功能时,元件在专门准备的环境中单独进行测试。 然而,随着电子元件的多样性和功能复杂性不断增加,这种操作渐渐露出弊端。 现在,多个电子元件系统之间会进行通信,并且一个系统的操作越来越依赖于来自其他系统的结果。 除了逐个系统进行测试外,还必须进行多系统测试才能有效地评估此类系统的功能。 此外,还必须评估系统的鲁棒性。 然而,随着各种组件和单元的不断增加,要评估的项目数量呈指数增长。 因此,评估系统需要实现自动化。 

十年来,马自达一直意识到这些需求, 但是却找不到满足所有需求的评估系统。 鉴于这种情况,他们决定开发一个自动化系统来从头到尾彻底验证逻辑并评估相互协作的电子元件的鲁棒性。

马自达团队采用了NI测试平台和生态系统,成功开发了HILS,而且还成功开发了机器人、图像处理系统、语音合成系统、噪声模拟器和GPS模拟器,进而搭建了一个集成的电子组件自动化测试系统。 手动操作和结果判断相关的工时减少了90%,每年节省了数亿美元的成本。

具体解决方案如下(分享自马自达电子测试和研究团队):

基于NI平台使用PXI产品、可重新配置的I/O模块(FPGA)和LabVIEW构建HILS系统,并集成噪声模拟器、GPS模拟器和语音合成系统等其他元件来评估鲁棒性,同时集成机器人和图像处理系统来实现任务自动化。

需要开发的系统将会非常庞大且复杂。 因此,开发工作预计需要几年时间并分阶段完成。 图1是第一阶段的示意图。 Stage-1系统由以下元素组成:HILS(硬件在环仿真)引擎、机器人和图像处理系统。 对于HILS引擎,NI HILS系统由NI PXI(面向仪器系统的PCI扩展)产品和RIO(可重配置的I/O)模块组成。 我们基于LabVIEW系统设计平台,开发了在这些硬件产品上运行的软件。

(图1.第一阶段的示意图)
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,希望利用模型来评估电子元器件。 但是,我们知道有些组件根本无法建模。 虽然对于不适合建模的零件,可以采用其他系统,但最终我们决定扩展HILS系统的功能。 由于NI PXI平台适用于构建各种测试系统,因此我们可以在一个系统上同时构建HILS部分和扩展部分。

有些组件无法建模,而人机界面的开发也非常具有挑战性。 对于无法建模的组件,举个最简单的例子——速度计。 想象一下速度表显示车速值为“50公里/小时”。 在这种情况下,控制器将显示“50公里/小时”的命令作为电信号发出。 这种信号可以在模拟过程中进行评估,也可以在实际车辆上进行确认。 只要系统运行正常,基于接收到的信号,速度计会显示'50 km/h'。 然而,为了检查实际是否显示'50km/h',需要驾驶员目视确认结果。 换句话说,驾驶员对汽车信息的感知过程无法转换为模型。 类似地,驾驶员为了向汽车传递信息而执行的操作也是无法建模的。 例如,驾驶员可以按下按钮来打开/关闭空调,或点击触摸面板来操作导航系统。 但是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,但秉承马自达一贯的宗旨“Be a driver”,我们决定花费额外的精力为这些具有挑战性的领域开发测试工程策略和方法。 如上所述,为驾驶员与汽车之间的交互建模非常困难。 但是简单来说,如果驾驶员要将信息传达给车辆(电子部件),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,我们制定的自动化评估机制就非常关键。 为了满足这个需求,我们开发了一个机器人来操作电子元件。 机器人通过电脑进行控制,代替人工按下按钮,轻触触摸面板。 同样,我们也需要考虑如何将信息从汽车(电子组件)传达给驾驶员。 回到车速表的例子,传统的测试过程由工程师目测检查,确定实际是否显示'50公里/小时'。 为了使这部分评估自动化,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,然后提供处理获得的图像来确定结果是否正确。 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以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,则图像处理会测量指针的角度,并使用该值来计算以小时/公里为单位的速度。 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(虚拟电子部件)来替代每个电子部件。 之前我们只能在所有电子元件完成后才能开始评估,这是一个很大的限制。 我们希望尽快开始测试并获得结果,因此我们会尽可能使用虚拟电子组件替代实际组件。 这些虚拟组件不仅能够像真实组件那样工作,而且外观和感觉上也非常相似。 这种利用虚拟组件的能力实现了灵活的测试。 视测试内容而定,仅在必要时才使用实际零件;否则,可以使用虚拟组件替代 。

上述内容描述的都是自动化测试系统的逻辑验证组件。 此外 ,我们需要增加更多功能来评估鲁棒性。 马自达非常重视验证鲁棒性;我们并不止于简单地确定逻辑是否正确。 在马自达,鲁棒性的评估首先需要确定在逻辑正常运行情况下组件接近其极限的条件,然后确定余裕量。 产品是否合格的余裕量根据内部独立标准确定。 这一评估过程使公司能够提供出色的用户体验,同时也为马自达及其供应商的设计部门提供精确的反馈。

在所有用于测试鲁棒性的条件中,最具代表性的条件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来确定所评估的电子部件发生故障的临界点。 为了评估高噪声条件下的鲁棒性,第二阶段的系统增加了一个噪声模拟器(见图1)。

然而,不利条件下的逻辑性能并不是鲁棒性评估的唯一指标。 例如,车辆功能包括使用语音命令来操作车辆。 这也是在鲁棒性评估的范畴内。 为了实现这一点,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,并且会以各种不同的声音发出声音命令,包括男性或女性、年轻人或老年人,因为不同声音具有不同的强度,发音清晰程度也不同。 我们需要评估系统的鲁棒性,以确定在不同的条件下指令能够被正确识别的程度。

第三阶段增加了GPS模拟器。 这个GPS模拟器主要用于生成日本境内不同位置的GPS坐标的模拟无线电信号。 这使我们无需实际前往各个地点就能够进行模拟评估。 我们希望在不断改变GPS模拟器的无线电波强度的情况下评估系统正确运行的能力。 换句话说,这是另一个要评估的鲁棒性要素。 请注意,对于第三阶段,操作机器人已升级为能够一次性触摸或轻敲多个位置。

在第四阶段,我们对GPS模拟器进行了升级,可进行全球定位。 另外,语音合成系统增加了西班牙语支持。 此外,我们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(参见图2)。 但是,具有上述所有功能的系统需要占用相当大的空间面积。 为了使测试更加方便,我们将系统分成几个小型系统,每个系统都包含原始系统的特定功能(见图3和4)。

(图2.第四阶段的示意图)

(图3.小型子系统1的外观图)

(图4.小型子系统2的外观图)
通过这种方式,我们成功构建了世界上第一个能够自动评估多个协同工作的电子组件的逻辑和鲁棒性的系统。 如前所述,我们开发的系统是前所未有的,并且基于全新的概念。 此外,这是一个非常复杂的大型系统。这一成功归功于几个因素。 这一成功归功于几个因素。

首先是马自达电子测试和研究小组的存在。 换句话说,马自达拥有自己的专业内部测试工程团队,这一点至关重要。 这一成功归功于几个因素。随着电子元器件评估技术开始达到瓶颈,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,如果大部分测试相关问题都交给外包商,那么什么都不可能解决。 这个高度专业化的内部团队的存在意味着他们可以充分探索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方面发挥主导作用这一点非常重要。

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,其中包括来自联盟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、语音合成系统以及其他各种元素。 从一家公司获得所有这些要素是非常困难的。 相反,我们选择了各公司最合适的产品,并使用LabVIEW和其他解决方案将它们与NI HIL系统集成在一起。 这成为我们成功的关键因素,NI生态系统提供了强大的支持。 当然,如果适用的话,我们也可以选择集成交钥匙解决方案。 但是,鉴于我们的目标是构建同类中的首个系统,NI解决方案是最符合我们需求的选择。

此外,NI产品提供的高性能和高编程自由度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,噪声的影响很难进行评估,除非采样以微秒级进行。 NI硬件是唯一能够以微秒级进行采样的产品。 另外,NI硬件包含一个内置的用户可编程FPGA。 没有其他产品提供这种自由度。 如果采用交钥匙式解决方案,用户很可能需要为每次的汽车更新换代辆购买全新的系统。 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。 适应未来需求的能力是这个系统的另一个巨大优势。

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鲁棒性评估。 事实上,以前没有这样的系统能够帮助我们获得如此巨大的成功。 另外,我们能够自动化各种测试的相关操作和结果判断。 这极大地减少了工作量,给我们带来了巨大的优势。 对于单个电子元件的情况,与手动测试相比,测试时间减少了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,这一做法与以前的方法相比,所需的工时减少了90%。

未来开发计划

这一新开发的系统将继续逐步完善。 目前,马自达的目标是使用这个NI产品系统评估所有电子元件。 因此,电子测试和研究小组目前的工作重点评估所有电子组件,包括与动力系统相关的组件。 在这个新开发的系统之前,使用交钥匙HIL系统来评估动力总成的相关部件。 因此这些组件被排除在该系统的目标项目之外。

无论是发动机还是电子元件,马自达都将继续朝“世界首创”的目标努力。 而且,随着汽车零部件的创新也要求测试进行创新,马自达也将持续完善其评估流程。

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