使用​软件​定义​的​自动​化​测试​系统,​进行​高级​汽车​电子​测试

Tomohiko Adachi,马自达​汽车​公司

“利用​NI​测试​平台​和​生态​系统,​我们​成功​开发​出了​HILS​系统、​机器​人、​图像​处理​系统、​语音​合成​系统、​噪声​仿真​器​和​GPS​仿真​器,​进而​为​电子​元件​构​建​了​一个​集成​式​自动​化​测试​系统。​最终,​手​动​操作​和​结果​判断​所用​工时​都​减少​了​90%,​每年​节省​的​成本​达​数​亿​日​元。”

- Tomohiko Adachi,​马自达​汽车​公司

挑战:

开发​一个​自动​化​系统​来​验证​逻辑​(功能),​并​全面​评估​电子​元件​协同​工作​的​稳健​性,​包括​相关​操作​和​结果​判断。

解决​方案:

通过​NI​平台,​使用​PXI​产品、​可​重​配置​的​I/​O​模​块​(FPGA)​和​LabVIEW​构​建​HILS​系统,​并​集成​噪声​仿真​器、​GPS​仿真​器​和​语音​合成​系统​等​其他​元件​来​评估​稳健​性,​同时​集成​机器​人​和​图像​处理​系统​来​实现​任务​自动​化。

作者:


​Tomohiko Adachi - 马自达​汽车​公司
​Hideyuki OKADA - 马自达​汽车​公司
​Noriaki Kittaka - 马自达​汽车​公司
​Masaya Taniguchi - 马自达​汽车​公司
​Yasuhisa Okada - MAC Systems Corporation

 

背景

众所周知,​汽车​集成​的​电子​产品​越来越​多,​而且​这​一​速度​也在​日益​加快。​电子​产品​现​已​成为​许多​汽车​组​件​的​一部分,​小​至​自动​雨​刮​器​和​门锁,​大​至​照明、​空调、​动力​总​成、​信息​娱乐​系统,​甚至​各种​安全​系统,​无​一​不​集成​了​各种​电子​产品。​最初,​汽车​配备​的​CPU​屈指​可​数。​而​现在,​汽车​上​的​CPU​数量​已​近百。

 

为了​向​客户​提供​优质​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“稳健​性”。“逻辑”指​的是​每​个​电子​元件​的​功能。​要​理解“稳健​性”的​概念,​首先​必须​了解​电子​元件​并非​总是​在​理想​的​工作​环境​下​运行。​例如,​组​件​可能​会​暴露​于​极端​条件下,​如​电源​电压​不​稳定、​噪声​很大​或​输入​信号​不​理想。“稳健​性”是​指​元件​在​极端​环境​中​使用​正确​逻辑​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。

 

挑战

电子​元件​的​逻辑​和​稳健​性​一直​都是​需要​评估​的​对象。​过去,​汽车​仅​使用​几​种​电子​元件​来​执行​简单​的​功能,​每​个​元件​都是​在​专门​准备​的​环境​中​单独​进行​的。​但​随着​电子​元件​日益​多样​化,​且​功能​日益​复杂,​这种​操作​的​弊端​渐渐​显露出来。​现在,​多个​电子​元件​系统​之间​会​进行​通信,​并且​系统​的​运行​与​其他​系统​息​息​相关。​除了​对​系统​逐​个​进行​测试​外,​还​必须​进行​多​系统​测试,​以便​有效​地​评估​这些​系统​的​功能。​除了​元件​的​稳健​性,​系统​的​稳健​性​也​必须​进行​评估。​随着​组​件​和​装置​种类​的​日益​丰富,​要​评估​的​项目​数量​呈​指数​增长。​因此,​显然,​评估​系统​需要​自动​化。

 

马自达​在​大约​十年前​就​已经​意识​到​这些​需求​了,​但​却​找不到​满足​所有​需求​的​评估​系统。​鉴于​这种​情况,​我们​决定​迎​难​而​上,​解决​这个​问题。​换​而言​之,​我们​决定​开发​一个​自动​化​系统​来​验证​逻辑,​并​全面​评估​电子​元件​协同​工作​的​稳健​性。

 

 

解决​方案/​优势

我们​需要​开发​的​系统​将会​非常​庞大​复杂。​因此,​开发​工作​预计​需要​数​年​的​时间​并​分​阶段​完成。 图​1​是​第一​阶段​的​示意​图。​阶段-1​系统​由​以下​元件​组成:​HILS(硬件​在​环​仿真)​引擎、​机器​人​和​图像​处理​系统。​开发​HILS​引擎​的​NI HILS​系统​由​PXI(用于​仪器​的​PCI​扩展)​产品​和​RIO(可​重​配置​的​I/​O)​模​块​组成。​我们​使用​LabVIEW​系统​设计​平台,​开发​了​这些​硬件​产品​所需​的​软件。

 

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,​我们​当然​希望​利用​模型​评估​电子​元件。​但是,​我们​知道​有些​元件​根本​无法​建​模。​对于​不​适合​建​模​的​零件,​通常​的​做法​是​采用​其他​系统,​但​这次​最终​我们​决定​扩展​HILS​系统​的​功能。​NI PXI​平台​适用​于​构​建​多种​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​元件​无法​建​模,​而​人​车​界面​的​开发​也​非常​具有​挑战​性。​举​个​简单​的​例子,​速度​计​就是​一种​无法​建​模​的​元件。​假如​速度​计​显示​车速​值​为“50​公里/​小时”。​在​这种​情况​下,​控制器​会​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​仿真​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,​在​接收​到​信号​后,​速度​计​会​显示“50​公里/​小时”。​然而,​为了​检查​实际​是否​显示​了“50​公里/​小时”,​需要​人工​目​视​确认​显示​结果。​换句话说,​驾驶​员​对​汽车​信息​的​感知​过程​无法​建​模。​类似​地,​驾驶​员​为了​向​汽车​传递​信息​而​执行​的​操作​也​无法​建​模。​例如,​驾驶​员​可以​按下​按钮​来​打开/​关闭​空调,​或者​点​击​触摸​面板​来​操作​导航​系统。​但​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“Be a driver”的​一贯​宗旨,​我们​决定​投入​更多​精力,​为​这些​具有​挑战​性的​领域​开发​测试​工程​策略​和​方法。​前文​提到,​为​驾驶​员​与​汽车​之间​的​交互​行为​建​模​非常​困难。​但是​简单​来说,​如果​驾驶​员​要​将​信息​传达​给​汽车​(电子​元件),​就​需要​操纵​按钮​或​其他​类型​的​仪表。​而​这种​操作​需要​通过​人手​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,​制定​自动​化​评估​机制​就​非常​关键。​为了​满足​这个​需求,​我们​加入​了​一台​机器​人​来​操作​电子​元件。​机器​人​通过​电脑​进行​控制,​代替​人​按下​按钮,​并​点​击​触摸​面板。​同样,​我们​还​需要​考虑​如何​将​信息​从​汽车​(电子​元件)​传达​给​驾驶​员。​回到​车速​表​的​例子,​传统​的​测试​过程​由​人工​目​视​检查,​确定​实际​是否​显示“50​公里/​小时”。​为了​实现​这​部分​评估​的​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​处理​获取​的​图像​来​确定​显示​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,​从而​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,​图像​处理​时​则会​测量​指针​的​角度,​并​使用​该​值​来​计算​以​公里/​小时​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​元件)​来​替代​每​个​电子​元件。​以前,​我们​只能​在​所有​电子​元件​开发​完成后​才能​开始​评估,​这​是​一个​很大​的​限制。​但​我们​希望​尽快​开始​测试,​获得​结果,​因此​我们​会​尽可能​使用​虚拟​电子​元件​替代​实际​元件。​这些​虚拟​元件​不仅​能够​像​真实​元件​那样​工作,​而且​外观​上​也​非常​接近。​通过​利用​虚拟​元件,​我们​可以​灵活​进行​测试。​根据​测试​内容,​在​必要​时​可以​使用​实际​零件;​否则,​请​使用​虚拟​元件​替代。

 

上述​内容​描述​的​都是​自动​化​测试​系统​的​逻辑​验证​元件。​要​评估​稳健​性,​我们​还​需要​添加​更多​功能。​除了​简单​地​确定​逻辑​是否​正确,​马自达​还​非常​重视​稳健​性的​验证。​在​马自达,​要​评估​稳健​性,​首先​需要​在​逻辑​正常​运行​的​情况​下,​确定​元件​接近​其​极限​的​条件,​然后​确定​余裕​量。​余裕​量​对于​判断​产品​是否​合格​而言​非常​必要,​但​需要​根据​内部​的​独立​标准​来​确定。​借助​此​评估​流程,​公司​能够​为​用户​提供​出色​的​体验,​同时​也​可​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​稳健​性的​条件​中,​最​具​代表性​的是​电源​电压​波动​和​高​噪声​环境。​例如,​我们​可以​改变​电源​电压,​以此​确定​所​评估​电子​元件​发生​故障​的​临界​点。​为了​评估​高​噪声​条件下​的​稳健​性,​我们​为​第二​阶段​的​系统​增加​了​一个​噪声​仿真​器​(见​图​1)。

 

然而,​不利​条件下​的​逻辑​性能​并非​稳健​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​也在​稳健​性​评估​的​范畴​内。​为了​实现​这​一点,​我们​在​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​男性​或​女性、​年轻​人​或​老年人​等​各种​不同​的​声音​发出​语音​命令,​并且​不同​声音​具有​不同​的​强度​和​清晰​程度。​我们​需要​评估​系统​的​稳健​性,​从而​确定​在​不同​的​条件下​正确​识别​指令​的​程度。

 

第三​阶段​增加​了​GPS​仿真​器。​模拟​无线​电信​号​可​指​代​日本​境内​不同​位置​的​GPS​坐标,​此​GPS​仿真​器​生成​的​便是​这种​信号。​这样,​我们​无​需​实际​前往​各个​地点​就​能够​进行​模拟​评估。​即使​GPS​模拟​器​的​无线​电波​强度​不断​改变,​我们​还是​希望​评估​系统​能​正确​运行。​换句话说,​这​是​稳健​性​评估​的​另​一个​要素。​请​注意,​在​第三​阶段,​操作​机器​人​已经​升级,​能够​一次​触摸​或​点​击​多个​位置。

 

 

在​第四​阶段,​我们​对​GPS​模拟​器​进行​了​升级,​可在​全球​范围​内​使用。​另外,​语音​合成​系统​也​新增​了​西班牙​语。​我们​还​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​(见​图​2)。 但是,​如果​系统​具备​上述​所有​功能,​则​需要​占用​相当​大​的​空间。​为了​使​测试​更加​方便,​我们​将​系统​分成​几个​小型​子​系统,​每​个子​系统​都​包含​原始​系统​的​几个​特定​功能​(见​图​3​和​图​4)。

 

通过​这种​方式,​我们​成功​构​建​出了​一​款​先进​的​系统,​能够​自动​评估​多个​协同​工作​电子​元件​的​逻辑​和​稳健​性。​我们​开发​的​系统​不仅​前所未有,​采用​全新​的​理念,​而且​非常​复杂、​规模​庞大。​这​一​成功​归功​于​以下​几个​因素。

 

首先,​马自达​拥有​一个​电子​测试​和​研究​小组。​也就是说,​马自达​拥有​自己​的​专业​内部​测试​工程​团队,​这​为​公司​走向​成功​奠定​了​基础。​随着​电子​元件​评估​技术​开始​进入​瓶颈​期,​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​将​大部分​测试​相关​问题​都​丢给​外​包商,​似乎​无济于事。​拥有​这​一支​高度​专业​化​的​内部​团队,​意味​着​公司​可以​充分​探索​各种​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​时​发挥​了​主导​作用,​这​一点​至​关​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​合作​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​和​其他​各种​元件。​要​想​从​一家​公司​获取​所有​这些​元件,​可能​十分​困难。​因此,​我们​从​不同​公司​选择​了​最​合适​的​元件,​然后​使用​LabVIEW​和​其他​解决​方案​将​其​与​NI HIL​系统​集成​在一起。​这​便是​我们​成功​的​关键​因素,​NI​生态​系统​为此​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​常用​的​一站​式​解决​方案。​不过,​鉴于​我们​的​目标​是​构​建​独一无二​的​系统,​因此​NI​解决​方案​是​最​符合​我们​需求​的​选择。

 

此外,​NI​产品​可​提供​高性能​和​高​编​程​自由​度,​因此​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​的​考量​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,​如果​不能​以​微秒​级​进行​采样,​噪声​的​影响​便​很​难​评估。​NI​硬件​是​唯一​能够​以​微秒​级​进行​采样​的​产品。​另外,​NI​硬件​还​包含​一个​用户​可​编​程​的​内​置​FPGA。​其他​产品​均​无法​提供​这种​自由​度。​如果​采用​一站​式​解决​方案,​每次​汽车​更新​换​代​时,​用户​很可能​都​需要​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。​此​系统​的​另​一个​巨大​优势​是​能够​适应​未来​需求。

 

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​稳健​性​评估。​事实​上,​以前​没有​一个​系统​能够​帮助​我们​获得​如此​巨大​成功。​此外,​我们​还​实现​了​各种​测试​相关​操作​和​结果​判断​的​自动​化。​这​极大​地​减少​了​工作​量,​给​我们​带来​了​巨大​的​优势。​与​手​动​测试​相比,​测试​单​个​电子​元件​所需​的​时间​缩短​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,​与​过去​的​旧​方法​相比,​这​一​做法​所用​的​工时​减少​了​90%。

 

未来​开发​计划

我们​新​开发​的​系统​将​继续​逐步​完善。​目前,​我们​的​目标​是​使用​此​NI​产品​系统​评估​所有​的​电子​元件。​因此,​电子​测试​和​研究​团队​目前​的​工作​重点​是​评估​所有​电子​元件,​包括​动力​总​成​相关​元件。​在​使用​这个​新​开发​的​系统​之前,​我们​使用​一站​式​HIL​系统​评估​动力​总​成​的​相关​组​件。​因此​这些​组​件​不​属于​这个​新​开发​系统​的​目标。

 

但​无论​是​发动​机​还是​电子​元件,​马自达​都​将​朝着​既定目标​继续​勇往直前。​此外,​汽车​零​部件​的​创新​也​要求​对​测试​进行​创新,​因此​马自达​将​持续​不断地​完善​其​评估​流程。

 

作者​信息:

Tomohiko Adachi
马自达​汽车​公司
​広島​県​府中市
​日本

图​1. ​ ​第一​阶段​的​示意​图 ​
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 ​