硬件在环测试的特点及其行业应用

硬件在环（HIL）测试是工程师用于测试和验证嵌入式系统软件的一种技术。HIL的工作原理是，通过电子方式将运行软件的控制单元与嵌入式系统所控制的传感器和致动器的精确仿真模型相连接。

 

仿真系统可由代表真实系统的虚拟模型和物理模型组成。在将其解决方案部署到实际车辆、机器、设备或系统之前，工程师可使用HIL测试系统在受控环境中实时测试软件的功能。随着他们使用的产品和软件变得越来越复杂，并且涉及安全关键型应用，HIL测试的重要性日益凸显。

 

硬件在环仿真中的组件

硬件在环仿真系统的关键组件通常包括：控制设备、仿真对象或仿真硬件（有时称为数字孪生）。将这些组件相结合，就能构建控制系统的闭环实时仿真。

 

控制软件

受测软件，是测试设置中控制单元部分的主要组件。其包含加载到硬件上的实际代码，是控制设备的软件部分。

 

电子控制单元（ECU）

电子控制单元是运行软件并为其所控制的系统提供输入和输出（I/O）的设备。HIL测试的一个关键优势在于，其可以在软件实际部署时所使用的真实电子硬件上进行检查。

 

HIL仿真系统

在最终产品中，控制单元直接连接到传感器和设备。在HIL测试环境中，来自美国国家仪器有限公司（NI）或 dSPACE 等公司的专业HIL设备和软件，可将仿真实际系统的组件连接到ECU。这也称为HIL测试系统，可提供测试管理、I/O配置和自动化工具，其可以由单个单元或多个单元组成。

 

虚拟组件

测试人员会使用数学模型来表示他们无法访问的一些子系统，以及那些无法像真实硬件那样能被快速或轻松仿真的系统。每个虚拟组件都可以接收指令和数据输入，并产生与实际系统相同的电气输出，这些输出可以是数字信号也可以是模拟信号。这些虚拟仿真可以像一个方程一样简单，也可以像对 安装在轨道卫星上的天线系统进行多物理场仿真那样复杂。

 

物理组件

许多系统测试设置会使用真实硬件，这些硬件可能是最终生产产品、原型或子系统的物理表示。不过，仿真系统也可以包含连接到虚拟组件的物理组件。这种情况，在传感器以虚拟版本来表示的硬件在环系统中尤为常见。

 

 

 

软件在环与硬件在环测试的区别

许多复杂的控制系统，尤其是安全关键型控制系统，会采用一种类似于HIL的技术，即软件在环（SIL）测试。在HIL中，物理硬件用于I/O，而在SIL系统中，其设置则使用软件工具来模拟ECU的微处理器或现场可编程门阵列（FPGA）的行为，以及用于I/O的电气连接网络。

 

SIL通常在产品开发流程早期执行，此时物理ECU尚不可用。软件开发团队利用SIL验证算法、逻辑和整体软件行为，然后将其与真实硬件集成。SIL可实现低成本测试，而无需物理硬件或物理空间。

 

然而，即使团队使用全面的SIL测试，HIL测试仍不可或缺，因为软件需要在ECU以及包含延迟和噪声的真实信号环境下进行验证。而且，许多用例涉及软件无法仿真的ECU行为。HIL测试可确保硬件和软件协同工作进行安全测试，并符合航空航天、医疗和汽车应用中常见的行业标准。

 

硬件在环测试的优势

硬件在环测试在进度、成本、安全性和性能方面具有显著优势。在某些行业中，这甚至是认证所必需的环节。这些优势能带来的效果，取决于所用仿真的准确性、在硬件或软件中创建这些仿真的成本、耗时步骤的潜在自动化程度，以及测试计划的全面性和效率。

 

HIL仿真的一些更显著优势包括：

 

节省时间

HIL可以在不同层面助力加速产品的开发进程。最显著的优势在于，HIL测试速度更快，可通过并行运行多个测试台实现全天候测试。另一方面，在开发流程中尽早引入HIL测试也能助力缩短开发时间——团队可以尽早发现问题，使其不会对生产进度造成大的影响。HIL带来的自动化机会也可减少执行测试所需的时间。此外，最关键的是，HIL可以显著缩短产品上市时间。

 

由于完整的物理原型数量通常有限，因此只能同时进行少数测试。借助HIL测试，工程师则可以并行运行更多测试，从而大幅缩短开发周期。

 

节约成本

HIL对产品开发进度的积极影响也有助于降低成本。此外，这种测试技术的高度可扩展性，使进行多次测试更具成本效益。在此基础上，使用HIL还可以消除或降低为最终系统设计创建所需物理硬件和软件的成本。多种测试场景的自动化还可减少人工投入和测试单元占用时间，即硬件测试装置的使用时长。

 

一致、可重复的测试

当工程师能够以一致且可重复的方式测试其想法时，开发可靠的控制算法就会更容易，而真实环境测试的环境不受控制且不可预测，就可能会引入过多不确定性。

 

最终产品测试的通过率提高

在开发过程中，几乎没有什么事情像未通过最终认证或性能测试一样代价高昂，而且会对生产进度造成更大损害。如果测试流程中包含了SIL和HIL测试，则可以在流程早期发现和纠正大多数失效模式。

 

在安全测试环境中进行安全验证

许多由嵌入式系统软件控制的系统需要进行安全验证测试，但许多系统无法在安全的环境中进行测试。例如，测试高级驾驶辅助系统（ADAS）需要将车辆置于危险情况中，以检查ADAS的响应情况。这不仅成本高昂，而且对驾驶员来说也很危险，并可能会损坏车辆。使用虚拟组件和测试自动化的HIL测试，则可消除测试人员面临的危险，验证系统的安全性，并降低成本。

 

HIL测试在各行业的应用

任何使用嵌入式系统软件进行设备控制的产品，都可以从HIL测试（作为控制器设计流程的一部分）中受益。然而，一些行业将比其他行业受益更多，因为上述优势在其生产流程中更为显著。以下是广泛应用硬件在环测试的六大行业：

 

1.汽车

汽车行业是HIL最广泛的应用领域之一，尤其是在 向软件定义车辆（SDV）设计转型的趋势下。真实车辆测试的成本和安全风险，以及漫长的原型车准备周期，已使HIL成为了汽车设计的重要环节。

 

例如，HIL可用于测试ADAS系统中使用的摄像头。 Ansys AVxcelerate Sensors软件和NI的RDMA 可以生成来自虚拟汽车摄像头的原始信号，将其转换为摄像头嵌入式处理单元能够识别的信号，然后将该子系统的输出馈送至ECU。

 

 

 

2.航空航天

为航空航天应用开发控制系统面临的三大挑战是：须严格遵守规范、硬件创建成本，以及在现场测试实际航空航天模块的难度和成本。这些挑战使HIL成为了该领域首选的测试方法，而且认证中通常要求采用这种方法。并且，在航空航天领域引入自主系统，会进一步增加对HIL的需求。

 

3.推进和发电

为电气系统或机械推进系统提供能源的发电厂，通过采用嵌入式系统控制器而受益。此类应用中的ECU，会通过传感器检测工作条件，并发送指令以优化效率、可靠性和电力生产。这可以像用于能源生产的电力电子设备一样简单，也可以像天然气发电厂中的污染监测和减排那样复杂。

 

4.工业机械和机器人

越来越多的工业机械制造商以及使用工业设备（包括机器人）的制造设施，都会在建立新的生产线之前，使用HIL仿真来优化机器效率或制造流程。

 

5.医疗设备和医疗诊断

医疗行业中智能设备的日益普及、严格的安全认证以及实际测试挑战，也促使开发团队越来越多地使用HIL测试。在设计流程早期以及验证与确认阶段，可以使用HIL在心脏起搏器或胰岛素输送设备等安全敏感系统中对嵌入式软件进行检查。

 

6.电池管理系统

HIL测试应用于 电池管理系统（BMS） ，可加速汽车、航空航天和发电应用中的电池开发。在HIL环境中对BMS进行闭环验证，可确保所有安全和性能功能正常运行，避免发生任何错误。通过计算机辅助工程（CAE）仿真开发的电池系统级模型可与HIL系统集成，以模拟真实电池。它还可以与真实电池系统连接，以验证BMS在不同工况下的性能，例如过压、过流、过温警告、电池平衡、短路响应以及BMS旨在管理的其他关键事件。

 

数值仿真在HIL测试中的作用

数值仿真，尤其是Ansys多物理场软件中提供的各种工具，在大多数HIL仿真工作中发挥着重要作用。当简单的方程或经验数据查找无法提供所需的保真度或范围，或者使用物理仿真不可行或成本较高时，数值仿真便可提供解决方案。

 

数值仿真的优势在于，其准确性非常高。此外，工程师可能已经拥有硬件模型，团队可以在系统中捕获控制系统对该模块的影响。

 

以下是在HIL研究中使用虚拟组件的一些方法：

 

高级驾驶辅助系统和自动驾驶汽车（AV）

在开发ADAS/AV解决方案时，对多种驾驶情况下的车辆进行建模，并结合能够准确模拟真实世界传感器的传感器输入，是HIL测试的关键。这就是为什么整个汽车行业的工程师都会使用一套完整的数字建模工具，如 Ansys AVxcelerate解决方案，对嵌入式系统软件的输入进行建模。

 

两个典型示例是： Ansys AVxcelerate Sensors软件，用于摄像头和激光雷达输入建模，以及 Ansys AVxcelerate Headlamp软件，用于向工程师展示前照灯变化对驾驶员、其他车辆和行人的实际影响。

 

集成

无论数值仿真模型如何根据所提供的输入生成结果，这些结果都需要传递到HIL系统中。一个简单的方法是使用 PyAnsys 等脚本功能，通过Python语言连接软件。 基于模型的系统工程（MBSE）工具，如 Ansys ModelCenter软件或Ansys Thermal Desktop（AEDT）平台，可提供实时系统级行为的准确视图。

 

机械组件建模

在HIL仿真中，数字组件的常见补充是代表组件结构、热和动力学行为的数值求解器。这可以通过通用工具（如 Ansys Mechanical软件）或用于多体动力学的特定解决方案（如 Ansys Motion软件）来实现。此外，工程师还可以使用像 Ansys optiSLang软件这样的工具，生成可插入MBSE系统模型的降阶模型（ROM）。

 

电磁组件建模

电磁传感器和致动器在许多由嵌入式系统软件驱动的系统中发挥着重要作用，因此快速准确的电磁建模工具（如 Ansys Maxwell软件和 Ansys HFSS软件）通常作为数字组件集成在系统中。