차세대 컨트롤러인 IBU 자동 평가를 위한 HIL (Hardware-in-the-Loop) 시스템 개발

저자:

이강영 - 현대오트론(주) 제어시스템 검증팀 연구원
김범섭 - 현대오트론(주) 제어시스템 검증팀 파트장

서문

과거의 자동차에는 점화 장치와 배터리 충전기와 같은 간단한 전기 전자 장치가 장착되어 있었습니다. 그러나 전자 디바이스 적용 범위는 확장되었습니다. 오늘날에는 점점 더 많은 전자 디바이스가 엔진, 섀시 및 기타 편의 기능을 포함하여 자동차의 전체 시스템을 제어합니다. 새로운 전기 전자 제어 기술이 계속해서 시장에 쏟아져 나오고 있습니다. 이러한 새로운 디바이스는 통합 차체 장치(IBU), 통합 중앙 제어 장치(ICU) 및 운전자 영역 장치(DAU)를 갖춘 차세대 디바이스 제어 아키텍처 구조의 개발로 이어졌습니다. 이들은 차체 제어 모듈(BCM), SMartKey(SMK), 스마트 정션 박스(SJB), 운전석 도어 모듈(DDM) 및 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)을 포함하는 이전 편의성 관리 시스템 아키텍처와 통합됩니다. 새로운 디바이스의 출현으로 새로 개발된 차세대 아키텍처의 제어 신뢰성을 검증해야 하는 요구가 생겼습니다. 그러나 기존의 HIL(hardware-in-the-loop) 시스템은 이전 아키텍처의 제어 능력을 검증하도록 설계되어 차세대 아키텍처를 검증할 수 없습니다.

여기에서 논의된 개발은 기존 BCM 검증 장비에서의 새로운 개선된 HIL 시스템 버전과 차세대 아키텍처 컨트롤러, 즉 일부 BCM, SMK 및 TPMS 기능과 통합된 IBU 컨트롤러의 자동화 검증을 위한 것입니다.

기존 HIL 시스템의 한계

기존 HIL 시스템은 단일 BCM 장치를 검증하기 위해 개발되었습니다. 이 시스템은 디지털 출력을 통해 하이/로우 능동형 스위치를 시뮬레이션하고, 아날로그 출력을 통해 다기능 스위치와 아날로그 센서를 시뮬레이션하고, 아날로그 입력을 통해 컨트롤러에서 방출되는 신호를 측정하고, 벡터 장비를 통해 CAN 통신 환경을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 TPMS를 위한 SMK 안테나 탐색 환경과 RF 전송 환경이 없어 IBU를 검증할 수 없습니다.

SMK 평가 환경 개발 및 연결

내부 1, 내부 2, 운전석, 보조석, 트렁크 및 범퍼의 안테나를 시뮬레이션하기 위해 우리는 각 안테나 라인에 릴레이 회로를 포함하고 안테나 검색 영역에 스마트 키(fob)를 포함하는 보드를 설계했습니다. 디지털 출력의 릴레이 회로 제어는 원하는 영역의 IBU LF 신호 라인을 안테나 라인의 회로와 연결할 수 있습니다. 이것은 LF 신호가 안테나에 도달하여 포브를 찾을 수 있음을 의미합니다. 안테나의 검색 영역 내의 포브는 RF로 응답하여 컨트롤러의 포브 검색을 완료합니다. 즉, 원하는 회로를 제외한 모든 회로가 열려 있어 신호를 수신할 수 없으며 연결된 안테나만 스마트 키 검색을 수행할 수 있으므로 컨트롤러가 스마트 키의 위치를 인식하는 데 도움이 됩니다.

우리는 디지털 출력이 안테나 회로 기판의 릴레이를 제어할 수 있도록 새로운 시스템을 개발했으며, 이는 추가적인 소프트웨어 개발 없이 더 많은 회로 기판을 추가하고 추가 디지털 출력을 할당함으로써 새로운 시스템을 기존 HIL 시스템과 쉽게 연결할 수 있도록 했습니다.

타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS) 검증 환경을 만들기 위해서는 차속(휠 속도)에 따라 지속적으로 휠 펄스를 카운트하는 새로운 시스템이 필요합니다. 이를 위해 백그라운드 프로세스로 지속적으로 실행되는 TPMS 프로그램을 개발했습니다.

FPGA 보드는 차량 속도와 비한 휠 펄스를 계속 계산하고 톱니 수에 따라 RF 전송 타이밍을 인터럽트 요청으로 RFSG에 전송합니다. RFSG는 요청을 받으면 TPMS 제조사, ID, 압력, 온도 등 다양한 정보로 구성된 RF 신호를 IBU로 보냅니다. IBU는 타이어의 공기압이 정상인지 비정상인지 판단하고 클러스터에 경고 표시 CAN 신호를 보냅니다.

또한 휠 펄스 카운트와 RF 전송이 차량 속도(휠 속도)에 따라 작동하여 타이어가 비정상적인 위치에 있는지 확인하기 위한 자동 위치 학습과 RF 신호의 유효성을 결정하는 자동 학습 기능을 위한 환경을 개발했습니다. 사용자는 이 프로그램을 개별적으로 실행할 수 있으며 자동화 프로그램과 연결되면 TCP/IP를 통해 제어할 수 있습니다. 그림 2는 이 프로그램의 GUI를 보여줍니다.

소프트웨어 및 하드웨어

새로운 HIL 시스템용 소프트웨어에는 테스트 사례, 결과 처리 및 장비 관리를 위해 C#으로 작성된 주 프로그램이 포함되어 있습니다. 프로그램은 각 테스트 사례의 테스트 단계에 맞게 필요에 따라 VI를 호출하고 결과를 반환합니다. 호출된 VI는 플러그인 유형으로, 인터페이스가 부모 역할을 하는 VI와 일치하는 한 쉽게 개발하고 작동시킬 수 있습니다. 플러그인 VI 유형에는 디지털 I/O 및 아날로그 I/O 시뮬레이션 및 측정을 위한 DAQ.vi, CAN 시뮬레이션 및 측정을 위한 CAN.vi, TPMS 평가를 위한 RF 신호의 시뮬레이션을 위한 TPMS.vi, 전원 공급 장치 및 컨트롤러와의 RS232 통신을 위한 Serial.vi와 디지털 멀티미터 제어를 위한 GPIB.vi 등이 있습니다. 이러한 VI를 사용하면 측정 하드웨어 및 조명과 같은 다양한 장치를 제어할 수 있습니다. 그림 4는 이 구조를 보여줍니다.

HIL 시스템에는 MXI 통신 방식으로 연결된 2개의 랙이 포함되어 있으므로 이를 하나의 PXI로 제어할 수 있습니다. 이는 자동차 컨트롤러를 수용하도록 개발된 신호 컨디셔닝 보드와 함께 제공됩니다. 그림 5는 랙의 구조를 보여줍니다.

장비 작동 테스트 결과

새로운 HIL 시스템 개발을 끝내고, 현대-기아자동차가 만들고 있는 IBU로 새로운 시스템을 테스트하기 위한 평가 환경을 만들었습니다. 검증을 위해 회사의 스펙에 따라 개발된 15,000개의 사례를 사용했습니다. 테스트에는 40시간이 걸렸습니다. 검증 후 HIL 시스템은 수동 검증을 통해 발견된 것과 동일한 8개의 결함을 발견했습니다. 업데이트된 IBU 소프트웨어로 새 시스템을 다시 테스트했을 때도 동일한 결과를 얻었습니다.

HIL 시스템 개발 효과 및 향후 계획

우리는 기존의 BCM 단일 장치 평가 기능 위에 SMK 및 TPMS 기능을 갖춘 새로운 HIL 시스템을 개발하여 IBU 차세대 아키텍처 컨트롤러를 평가할 수 있었습니다. 새로운 HIL 시스템에 대해 두 가지 자동화 테스트를 수행하여 안정성과 완성도 수준을 확인했습니다.

우리는 이 새로운 시스템을 개발한 이후 여러 이점을 보았습니다. HIL 시스템을 스펙 요구 사항에 따라 설계된 테스트 사례와 함께 현대-기아 자동차에 납품한 후 시스템은 약 9,400만 달러의 매출을 올렸습니다. 또한 HIL 시스템에 하드웨어 및 소프트웨어 표준화를 적용하여 HIL 시스템의 개발 기간을 6개월에서 단 1개월로 단축했습니다. 이 기간은 실제 하드웨어를 구매하고 개발하는 데 필요한 기간입니다.

HIL 시스템은 수동 테스트로는 불가능했던 반복적이고 악성의 테스트를 통해 개발 품질 향상을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 차량 컨트롤러 개발 시 검증에 필요한 시간을 획기적으로 줄여 신차 개발 기간을 단축할 수 있습니다.

자동차의 패러다임은 이제 단순한 교통 수단에서 스마트한 생활 공간으로 변화하고 있습니다. 이러한 패러다임의 변화는 다양한 고객 요구도 같이 가져옵니다. 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 자율 주행, 커넥티드 카, 증강 현실과 같은 새로운 기능이 무대에 등장하고 있습니다. 이러한 기능은 다른 컨트롤러와의 협력 제어를 통해 실현됩니다. 이러한 유형의 협력 제어는 각 시스템의 영향력이 다른 시스템의 영역으로 확장되게 하므로 이제 더 강력한 시스템 수준 검증이 필요합니다. 즉, 이제는 단일 장치 환경이 아닌 시스템 환경에 대한 검증이 필요합니다. 우리는 향후 이 기술과 쉽게 확장 가능한 NI 제품을 사용하여 단일 컨트롤러뿐만 아니라 전자 제어 시스템을 통합 검증할 수 있는 새로운 HIL 시스템을 개발할 예정입니다.

저자 정보:

이강영
현대오트론(주) 제어시스템 검증팀 연구원
kangyoung.lee@hyundai-autron.com