实时测试的演变

美国国家仪器公司 Chris Washington

实时测试技术指在一个实时环境中实现测试应用，主要用于帮助测试系统获得更高的可靠性和/或确定性。因此，实时测试技术在许多产品和系统的开发过程中扮演者重要的角色。比如对耐用性，使用寿命有要求以及其它一些需要长期持续运行或者需要在无人值班的情况下运行的测试系统，这些系统要求实时执行平台提供卓越的可靠性。需要使用实时测试技术的例子还包括环境试验单元，测功机，硬件在环（HIL）仿真器以及其他类似的执行闭环控制的测试系统，这些系统要求实时执行平台具有低抖动确定性。通过研究几个实时测试（RTT）的应用，我们可以看到它们是如何演变以应对当今测试工程师所面临的各种挑战的。

实时测试技术

一个常见的实时测试技术就是利用闭环控制，自动操纵测试系统中的物理变量，如温度、位置、扭矩或加速。例如，实现一个环境测试系统，如压力舱，测试舱除了需要给待测单元（UUT）提供激励并查看其响应之外，还必须在达到特定的状态时实现以上这些功能。由于仓内的压力受到诸多因素的影响，如舱漏气或UUT的特性变化等，测试工程师必须使用一个闭环控制算法以监测压力传感器的数值并自动调整压缩机和安全阀的控制信号，使实时压力曲线与测试计划中所要求的一致。要实现这样的自动控制，闭环控制系统必须在确定的时间间隔内，检测系统状态并调整控制命令。

图 1. 诸如压力舱这样的实时测试系统使用闭环控制系统以自动实现测试计划所需的压力条件。

另一个例子是硬件在环测试。这一实时测试应用可以更加有效地测试电子控制系统。一个电子控制系统由电子控制单元（ECU）及其所控制的系统或环境组成。

当测试一个电子控制系统时，由于诸如安全性、系统可实现性或者成本等方面的考虑，可能使得无法在一个完整的系统中执行所有所需的测试。然而，由于ECU和系统的其它部分之间的闭环耦合，使得我们不使用完整系统就无法充分测试电子控制单元的性能。

硬件在环仿真使用了代表该系统的其他部分的软件模型来模拟被测试的控制单元和系统的其余部分之间的传感器和执行器的交互。它可以为ECU创建一个虚拟环境，保持了系统内的闭环耦合。为了准确模拟传感器和执行器的交互，测试系统必须在连续或确定的时间间隔内高确定性的执行模型的计算。

图2. 硬件在环测试（HIL）是一种实时测试技术，它使用软件来模拟缺失的系统组件从而完成电子控制设备的测试。

实时测试（RTT）系统的演变

随着产品和系统的复杂性日益增加，测试系统的实现也面临着更多的挑战。为了应对这些挑战，实时测试系统需要将多种功能整合起来，由此产生的系统可以同时满足多种需求，而这些需求在以往则是分别由多个独立的实时测试应用来实现的。

这种趋势可以很好的体现在基于模型的测功机的出现上。通常情况下，测功机测试系统包括一个使用比例-积分-微分（PID）控制算法的实时测试应用，来为UUT产生不同的负载和速度条件。该测试系统将静态激励曲线应用到PID控制器和UUT上，用于执行和验证设备。基于模型的测功机系统是从传统的测功机演变而来的，它使用模型来执行高级控制算法以及生成动态激励曲线。

Wineman Technologies公司的工程师使用NI的RTT平台生产了6轮形式的独立底盘测功机系统。为了充分测试他们的车辆，测功机需要能够产生不同的测试条件，使其可以模拟车辆在不同地形上行驶的情况。

例如，基于模型的测功机必须能够实现以下的状态，即两个轮子在雪地中行驶、一个轮子在泥地中滑行、两个轮子在松散的砾石中行驶，而另一个轮子则脱离地面。此外，该系统还需要模拟车辆行进时，轮子到轮子间的地形变化。

要实现这个测试系统，工程师们需结合他们实现测功机及HIL仿真器的经验，创建一个相比传统的测功机测试系统具有更多特性的测试系统，而这些特性更常见于HIL测试系统。具体来说，他们必须确定性地执行复杂模型来提供动态激励以产生6个相关的速度/扭矩的曲线以及执行高级控制以完成此任务。

实时测试要求的整合也可以体现在欧洲研究机构RobotikerTecnalia的应用中。在他们研究和开发混合电动汽车（HEV）的动力总成系统的过程中，工程师们使用NI的实时测试平台建立了一个专门的HIL测试系统。

他们没有完全对汽车传感器和执行器与ECU的交互进行电力仿真，而是用实际的机电组件取代了动力总成牵引驱动的软件模型。然后，将这些组件与模拟汽车其它部分的软件模型相连成闭环，从而实现更精确和更灵活的测试系统（见图3）。

图3. 机械部件被添加到HIL仿真当中，以帮助更有效率的开发和验证HEV动力总成系统

由于物理组件被添加到仿真中，因此他们需要为牵引驱动器添加一个负载加载机制，以便该仿真能够控制它的负载加载条件。HIL仿真器提供了模拟负载值，通过机械耦合加载到该牵引驱动上。

当实现这个专门的HIL测试系统时，Tecnalia的工程师们需要同时创建一个HIL仿真器和一个基于测功机的负载加载系统，在两者的协同工作下，可以提供一个HEV动力总成的机电仿真。

消费者的期望、监管机构以及竞争压力正在推动产品以越来越快的速度实现越来越复杂的功能。随着企业试图在激增的复杂性要求与较短的开发周期、更高的可靠性要求以及不变的甚至是减少的预算之间寻找平衡，实时测试技术在开发的进程中的重要作用日益凸显。

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