車機與空調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交互功能的可靠性，分析車機與空調的交互控制策略，基于dSPACE實時系統設計車機與空調HIL交互測試方案，利用車機、空調的接口定義表進行I/O模型配置，并建立資源映射關系的信號列表，按照交互控制功能模塊開發上位機測試界面，根據功能設計規范開發測試用例，通過上位機模擬車機與空調交互的各種工況。經驗證，車機與空調交互功能測試和故障診斷測試通過，確保了車機與空調的交互功能和故障診斷功能的可靠性。

【關鍵詞】交互測試；HIL；車機；空調

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，FU 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

智能網聯成為汽車行業新趨勢，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、空調等電控系統一旦發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測試系統驗證空調系統的控制策略。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，傳統的電子控制器單體測試已經很成熟，具備完整的軟硬件、系統驗證流程，然而經過測試的控制器匹配整車后仍會產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境下多域多控制器交互的場景，無法復現實車完整故障環境。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，硬件在環仿真測試系統是以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模型和物理模型構建被控對象的測試環境，對被測電控單元進行各種工況的功能、性能測試[5]。硬件在環測試系統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量，提前在電控系統開發階段發現問題；快速重現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生；實現全天候的自動化測試，測試效率遠高于實車手動測試，可實現軟件功能的快速迭代[6]。

隨著智能網聯汽車的快速發展，空調系統也逐漸向智能化發展，空調操作由傳統的機械旋鈕、按鍵逐步向網聯車機觸屏控制過渡。本文基于HIL測試方法，通過dSPACE實時系統搭建網聯車機與自動空調交互的測試環境，對車機、空調交互控制策略進行驗證。

2? 車機與空調交互控制原理

本文空調為自動空調。車機與空調采用CAN網絡通信實現車機與空調的信息交互。車機負責空調功能的操作及顯示，空調控制邏輯則在空調控制模塊實現。通過操作空調面板或點擊車機屏幕導航欄的空調圖標進入車機的空調控制頁面，空調控制包含風量調節、溫度調節、吹風模式、循環模式等功能。

操作車機屏幕的空調控制圖標，信號通過CAN通信發給空調控制模塊。空調控制模塊接收到信號后，結合采集的傳感器硬線信號及其他節點發送的CAN網絡信號，對空調系統的溫度、風量、出風模式、換氣、壓縮機、負離子發生器等進行自動控制，以滿足用戶對空調舒適性體驗的需求。空調控制模塊將當前系統狀態通過CAN通信反饋給車機，車機接收到信號，將相應的空調運行狀態顯示到車機屏幕上。同時空調控制模塊也會將當前系統狀態通過LIN通信反饋給空調面板，將空調運行狀態顯示在空調面板上。車機與空調控制模塊的交互原理圖如圖1所示。

3? 車機與空調交互測試實時系統方案

3.1? 系統架構

HIL實時系統關注的重點在控制器，因此在車機與空調的交互測試系統中，車機控制器和空調控制模塊、空調控制面板、空調箱（電機執行器）均為實物，而電控系統其他元素如傳感器、CAN均采用仿真的形式。

車機與空調HIL交互測試系統架構如圖2所示，通過dSPACE SCALEXIO技術構建車機與空調HIL交互測試系統。利用機柜的多功能I/O板卡模擬空調控制模塊的傳感器輸入信號以及采集空調控制模塊驅動空調箱的控制信號，CAN通信板卡模擬CAN網絡其他節點的CAN信號，空調控制模塊和車機控制器通過CAN線通信，空調控制模塊和空調面板通過LIN線通信，車機控制器通過LVDS線將圖像信號傳輸到車機屏幕顯示，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、數據監控及分析、變量及參數的可視化管理、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，可仿真網絡其他節點控制器發送的報文，模擬校驗和Checksum和計數器Counter，通過修改報文周期、控制報文收發實現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對I/O接口的初始化配置。完成I/O模型的開發和參數配置后，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中，實現從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可通過RTI編譯時生成的變量文件，由上位機軟件ControlDesk調用及更改。

HIL測試系統使用了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，車機控制器與空調控制模塊的I/O模型配置了數字輸入輸出通道（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、板卡通道之間的聯系。

3.3? 測試界面開發

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，檢查內存的大小以及處理器的時鐘頻率，實現目標程序的下載，控制實時系統的啟動及停止，并監視硬件故障。

2）建立試驗管理虛擬儀表。通過虛擬儀表實現上位機與實時系統的動態數據交換，在實時系統運行過程中調整被測控制器的輸入參數，記錄測試過程數據并實現數據回放。

3）變量的可視化管理。可通過拖拽方式實現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聯。除了一般的信號變量外，還可以訪問程序執行時間、采樣時間、中斷優先級等實時變量。

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

5）測試自動化。可編制自動化腳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、風量調節、溫度調節、循環模式等。各測試界面模塊設置對應的傳感器信號輸入控件和控制信號監測控件。通過CAN配置模塊生成CAN信號仿真和監測控件，仿真其他網絡節點的CAN信號，監測車機與空調交互的CAN信號。故障注入界面設置信號對搭鐵短路、對電源短路、開路等故障模式[8]。

3.4? 開環系統調試

開環系統調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部收到的一致，板卡采集的執行器驅動信號與控制器內部發出的一致。以環境溫度傳感器仿真為例，完成空調控制模塊的I/O模型配置和測試界面開發后，在上位機界面輸入環境溫度傳感器的仿真值，通過CAN配置模塊讀取空調控制模塊發送的環境溫度CAN信號，若兩者的值相等，則環境溫度仿真通道的開環調試成功，其他通道同理。

4? 測試用例開發

按照車機、空調系統功能規范開發交互控制測試用例，將測試用例分為12個需求覆蓋點：空調開啟及彈窗策略、溫度設置、風量調節、循環模式調節、A/C調節、空調開關、auto調節、吹風模式調節、前除霜調節、后除霜調節、空調小綠葉和情景模式。

每個需求覆蓋點的測試用例按照開發思路又分為：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、狀態轉移法、錯誤猜測法等。

5? 測試實施

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

5.1? 交互功能測試

5.1.1? 溫度調節

前置條件：電源供電13.5V，點火開關為ON，車機處于空調控制界面，空調控制溫度設為20℃。

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

5.1.2? 內外循模式

前置條件：電源供電13.5V，點火開關為ON，車機處于空調控制界面，當前循環狀態為外循環。

點擊車機循環模式圖標，車機通過CAN通信發送相應的控制信號給空調控制模塊，空調控制模塊進行處理后將內外循環狀態信號通過CAN反饋給車機，通過LIN反饋給空調面板，工作指示燈顯示相應的工作狀態。測試結果如圖6所示，車機能夠正確識別駕駛員內外循環切換操作，空調控制模塊能夠正確接收車機發出的內外循控制信號，并驅動循環電機動作，將最新內外循狀態更新到面板上。測試結果表明車機與空調的內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，點火開關為ON，總線正常通信，清除故障碼。

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

6? 結論

本文介紹了汽車網聯車機與自動空調的交互控制策略，基于dSPACE實時系統構建了車機與空調的HIL交互測試系統，并說明了構建測試系統的每個流程環節，根據車機、空調的功能規范開發測試用例，最后按照測試用例對車機、空調的交互控制功能進行了驗證。

構建多節點的HIL交互測試系統與單節點HIL測試系統相比更接近實車環境，能夠快速重現復雜的實車故障模式，充分驗證單節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的實時空調仿真測試系統設計與實現[C]//2020年中國家用電器技術大會論文集. 寧波：電池，2020：867-873.

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[4] 鄭淳允，巫輝燕. 汽車信息娛樂系統自動化測試平臺設計[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硬件在環測試技術研究[J]. 汽車電器，2018（9）：19-23.

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

（編輯? 楊? 景）