摘要

      控制和信息系統(tǒng)對當(dāng)今汽車工業(yè)至關(guān)重要。實際上，幾乎所有車輛都裝了數(shù)量眾多的電子控制單元（ECU），用于控制其所有或大部分機械、機電和電氣系統(tǒng)、單元或部件。測試并早期發(fā)現(xiàn)和修復(fù)這些ECU的軟件漏洞非常重要，不僅對汽車駕駛的安全，而且對在汽車開發(fā)期間節(jié)省巨額費用的軟件更新也非常重要。汽車中最重要的ECU之一是儀表板組合(IPC)。IPC向駕駛員提供與主要汽車系統(tǒng)（發(fā)動機、變速箱、ABS）相關(guān)的實際信息、當(dāng)前速度信息、機油和冷卻液溫度警告、燈光使用、導(dǎo)航等。本文討論了IPC系統(tǒng)軟件測試的一些特點和問題，以及對特定測試人員技能和知識的要求。

1.簡介

      負(fù)責(zé)控制主要汽車系統(tǒng)和節(jié)點的電子設(shè)備的水平在過去幾年中大幅度提高，它們約占內(nèi)燃機汽車中所有系統(tǒng)的40%，電動和混合動力汽車的約70%。這些設(shè)備被稱為電子控制單元(ECU)。實際上，ECU是帶有片上軟件的嵌入式控制系統(tǒng)（控制器）。它們的數(shù)量（圖1）在新車中從30到100不等，而在新BMW系列中，ECU多達200個。

圖1 汽車內(nèi)部的電子控制單元(ECU)

      ECU之間的通信基于控制器局域網(wǎng)(CAN)總線。每個ECU都可以通過CAN總線廣播自己的消息，并可以監(jiān)聽來自其他ECU的特定消息。通常，ECU控制發(fā)動機的直接燃油噴射和節(jié)氣門、制動器(ABS)、主動懸架、燈光、動力轉(zhuǎn)向、導(dǎo)航、氣候、停車輔助、收音機、電話等。根據(jù)從不同類型的傳感器收集的各種類型的輸入數(shù)據(jù)，每個ECU實現(xiàn)自己的軟件控制算法，并將計算結(jié)果（輸出）應(yīng)用于受控硬件。輸入和輸出數(shù)據(jù)都可以被視為CAN報文或包含在這些消息中的信號。

      一個特定的ECU是儀表板組合（IPC），它以各種格式向駕駛員顯示大量信息-指示燈（信號燈）、儀表（指針）和界面，如圖2所示。

      用于控制發(fā)動機、制動器、動力轉(zhuǎn)向等的ECU軟件很少更改，而IPC軟件是一個大量修改、更新和頻繁變化的對象。事實上，即使是一種型號的汽車，也有各種各樣的IPC硬件類型。例如，大眾汽車的IPC有三種型號-黑白顯示屏-一種是低分辨率的，另一種是高分辨率的，第三種是彩色顯示屏?？蛻艨梢愿鶕?jù)自己的喜好或特定需求為自己的汽車選擇一個。

圖2 儀表板組合

      由于IPC的頻繁硬件變化，組合軟件也是密集測試的對象。

      本文旨在介紹測試IPC的功能，以及特定系統(tǒng)軟件的測試需求、測試環(huán)境（CANoe）以及對測試人員的要求。

2. IPC需要測試的功能

      如圖3所示，IPC收集大多數(shù)汽車ECU和傳感器提供的信息，并將其呈現(xiàn)給駕駛員。只向駕駛員呈現(xiàn)有價值的并且可以被正確解釋的信息。與主要系統(tǒng)相關(guān)的診斷或特定故障信息存儲在IPC的錯誤存儲器，或問題單元的存儲器中，可以通過診斷程序在服務(wù)中讀取。

圖3 IPC采集的ECU和傳感器信息

      PC視覺信息以多種方式呈現(xiàn)：

      - 帶指針的儀表（步進電機），如車速表、轉(zhuǎn)速計、機油、冷卻劑和溫度計等。

      - 指示不同汽車單元和系統(tǒng)的狀態(tài)或使用情況的信號燈，例如燈的使用（遠(yuǎn)光燈/近光燈、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)等）、電池狀態(tài)、剎車、安全氣囊、穩(wěn)定性等。

      - 顯示主里程計和行程里程計、車載計算機消息（平均速度或油耗）或警告、變速箱信息或一些主要汽車ECU報告的一些錯誤等。

       上述IPC單元的主要功能將在以下段落中討論。

2.1 車速表

      車速表用于以km/h或mph為單位指示車輛速度。組合儀表執(zhí)行從輸入值（脈沖數(shù)或每秒轉(zhuǎn)數(shù)或來自總線的值）到步進電機步數(shù)反映的角度指示的轉(zhuǎn)換（1步=0,05625度）。當(dāng)通過總線接收到速度時（圖4），通常伴隨著有效信號（品質(zhì)因數(shù)）。轉(zhuǎn)換是使用包含一些點(4-6)的特性曲線完成的，這些點具有輸入值和輸出角度之間的對應(yīng)關(guān)系，在這些點之間使用線性插值。特性曲線存儲在IPC的EEPROM中。為了避免指針閃爍或跳躍，使用了阻尼。

圖4車速表數(shù)據(jù)流及特性曲線

      阻尼（圖5）曲線有一個t（τ）參數(shù)（時間），它確保指針變化在時間τ之后達到64%的變化范圍，在大約4-5倍τ之后達到99%的最終值。

圖5阻尼（系數(shù)）曲線

       在某些汽車組合儀表中，應(yīng)用了提前系數(shù)。它表示添加到實際車輛速度的百分比，會指示更大的速度值。這樣做是為了保證安全行車。在下面的儀表中，將20%的提前系數(shù)添加到100km/h的速度（圖6a），對于駕駛員來說，它是120km/h，如圖6b所示。

測試車速表的常見行為

      在車速表測試期間，必須檢查以下與電池連接和發(fā)動機點火相關(guān)的要求：

      - 當(dāng)電池關(guān)閉時，車速表指針保持在相同位置。在重新連接時，指針被同步，然后返回到有效指示。

      - 當(dāng)點火開關(guān)打開時，指針返回零指示，然后返回有效指示。對于正常范圍內(nèi)的值，指針根據(jù)特性曲線以阻尼方式移動。如果有效信號為假，則指針下降到零（無效速度信號）。

      - 電源恢復(fù)后（在某些情況下欠壓/過壓后）指針返回零位，然后返回有效指示（同步）。

      - 如果輸入信號超出范圍，（錯誤處理）指針會在延遲后下降到零位置（無阻尼）來指示這種情況。

      - 在欠壓（小于9V）/過壓（大于16V）和電源故障的情況下-指針保持在相同位置，當(dāng)電壓回到正常范圍時，指針同步（在某些IPC中它保持在同一位置），然后指示有效值。

2.2 轉(zhuǎn)速表

       轉(zhuǎn)速表測試類似于速度表。這里可以使用兩個阻尼。一種是在發(fā)動機運轉(zhuǎn)且車輛靜止時，則阻尼較高（可以在短時間內(nèi)進行較大的變化）。第二個阻尼是在車輛移動時-然后阻尼較?。赡艿淖兓^小）。

       必須對轉(zhuǎn)速表進行與速度表類似的常見行為測試。

2.3油位指示

      如果通過CAN總線接收信號，則特性曲線類似于速度表。如果信號直接來自傳感器，則使用兩條曲線：ADC值->升數(shù)->步進電機步數(shù)。

      關(guān)于車輛移動狀態(tài)使用兩個阻尼值（在某些情況下，一個如圖5所示，另一個是線性的）-當(dāng)車輛停止時，阻尼較低。行駛中的車輛需要更大的阻尼，以克服由于加速和制動而導(dǎo)致的油箱中的燃油移動。

      當(dāng)燃油液位低于定義的閾值時，燃油儲備指示器將被激活。

2.4 冷卻液溫度指示

      冷卻液溫度的測試類似于燃油油位指示。行為和阻尼取決于車速。當(dāng)車輛停止時（在駕駛會話之后），由于傳感器周圍的溫度會升高（熱量爆發(fā)），指示將不會超過最后一個有效值，持續(xù)時間與駕駛持續(xù)時間成正比。

      一些額外的測試與正常冷卻劑值（75-115度）有關(guān)-然后指針靜止不動。如果發(fā)動機過熱（溫度>閾值）-會生成警告（可以是LED、聲音警告、顯示屏上的警告消息或它們的組合），因此還必須檢查這些警告。

2.5 里程表

      主里程表存儲在IPC EEPROM區(qū)，不可復(fù)位（生產(chǎn)后）；最大顯示值為999.999公里。存儲使用多塊存儲技術(shù)完成-值（公里/英里）存儲在更多字節(jié)的位置（例如32），每個字節(jié)都根據(jù)IPC特定算法寫入（以避免每次寫入相同的位置）。該EEPROM位置不能被較低的值覆蓋。

      行程里程表存儲在IPC RAM中（在某些情況下存儲在EEPROM中）。達到最大值（999,0或1999,0 公里）后，將翻滾至0,0公里。

2.6 指示器

      信號裝置具有特定的激活/停用/再激活條件。圖7給出了一些最流行的指示器及其含義。在一些組合中，指示器的燈或LED位于速度表而一些指示器位于這些區(qū)域之外或轉(zhuǎn)速表區(qū)域，。在某些組合中，一些信號裝置（警告）僅在主顯示器中顯示為圖標(biāo)。

圖7 指示器指標(biāo)

2.7 車載里程計算機

      車載里程計算機顯示的信息是通過計算距離、時間和注入的燃料來計算的?；谶@些數(shù)據(jù)，獲得即時/平均消耗和速度。

      剩余續(xù)航里程還反映了在油箱中剩余燃料和實際速度（實際消耗）下可以行駛的距離。行程持續(xù)時間也可以計算在內(nèi)。

      作為測試對象的車載計算機的功能是平均速度、平均消耗、行程持續(xù)時間-可以重置（通常通過按下儀表板上的旋鈕）。重置后（電池重置、手動重置、點火開始）-需要一定的距離/時間/消耗，以便計算和顯示第一個值。

      測試還與測量單位相關(guān)，例如：

      - 距離公里或英里；

      - 速度km/h或mph；

      - 消耗1/100公里，mpg（英國或美國），km/l

2.8 信息和警告

      更復(fù)雜的儀表盤有一個大點陣顯示器（在某些情況下是彩色的）顯示額外的信息，提醒司機一些汽車功能的狀態(tài)（輪胎壓力、發(fā)動機狀態(tài)、ABS、ASR、ESP、安全帶、檔位信息、冰警告、導(dǎo)航、電話、收音機/CD 等）。

      可以顯示一條文本消息，也可以通過符號或/和提示音加倍顯示。

      消息可以用不同的語言顯示（可從菜單或EEPROM配置）。

      當(dāng)同時顯示更多警告/消息時，它們將以滾動模式顯示：每條消息（如果有的話，帶有符號）顯示一段時間，然后顯示下一條。

      消息具有指定的優(yōu)先級。定義項目特定程序以處理優(yōu)先級-消息可以/不能被更高優(yōu)先級的消息打斷，消息具有最短顯示時間。

      接下來給出了一些可以顯示的附加消息，它們是特定測試的對象：

      - 燃油液位

      - 冷卻液溫度

      - 室外溫度

      - 警告信息

      - 油位

      - 服務(wù)間隔指示

      - 時鐘，日期

      - 齒輪箱位置和模式

      - 分區(qū)/臨時

      - 導(dǎo)航

      - 電話。

2.9 EEPROM

      EEPROM存儲器包含一些作為測試對象的配置參數(shù)。它包含有關(guān)組合本身的信息-型號、版本、生產(chǎn)日期、月份、年份、有關(guān)發(fā)動機和汽車中最重要的ECU的類似數(shù)據(jù)、里程表數(shù)據(jù)、特性曲線、阻尼參數(shù)tau、發(fā)動機類型（汽油、柴油、混合）、測量單位公里、英里、錯誤代碼和許多其他數(shù)據(jù)。

      除了與上述IPC單元和元件的功能相關(guān)的軟件測試外，還必須特別注意下面描述的IPC電源管理測試和照明測試。

      電源管理測試涉及9V至16V的正常電壓范圍、欠壓（9V以下）、過壓（16V以上）和電源故障（6V以下）。

      在正常電壓范圍內(nèi)，組合儀表具有正常功能。測試電壓在13.5V左右。超出此范圍，除電源故障外，我們可能會遇到以下情況：-指針凍結(jié)到實際位置，微處理器控制的LED（燈）被停用，EEPROM的寫入功能被停用。所以要確保RAM中的數(shù)據(jù)保留，當(dāng)電壓恢復(fù)到正常范圍（有滯后）時，恢復(fù)正常功能。指針同步（回到零位，再回到有效指示），避免失步。

      在電源故障期間，除了欠壓情況外，RAM數(shù)據(jù)不再保留。當(dāng)電壓恢復(fù)到正常范圍時，組合儀表復(fù)位。

      背景照明與顯示、刻度和指針有關(guān)。它們可以單獨照明。照明根據(jù)兩種情況而有所不同：-白天，只有顯示屏以小亮度照亮，夜間，顯示屏、刻度和指針都被照亮。在夜間照明期間，可以手動或自動修改亮度。當(dāng)前燈被激活（手動模式）或當(dāng)外部照明水平低于定義的閾值（自動模式）時，日/夜轉(zhuǎn)換完成。照明級別存儲在EEPROM中，所選級別作為指針存儲在該照明表中。顯示器和刻度+指針可以有不同的照度表來有不同的照度。

      使用一個組合按鈕或菜單中的功能執(zhí)行手動調(diào)光。自動調(diào)光是使用一個傳感器來執(zhí)行的，該傳感器決定從白天到夜間照明水平的轉(zhuǎn)變。照明調(diào)暗不影響信號燈的亮度。照明可用作發(fā)出警告的一種方式。例如，在某些汽車中，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過定義的閾值時，轉(zhuǎn)速表刻度照明會以全亮度激活（而其他刻度的照明會停用），以表示發(fā)動機可能已損壞。

3.測試環(huán)境CANoe

      儀表組合 (IPC) 的真實系統(tǒng)軟件測試與特殊軟件環(huán)境的使用有關(guān)，該環(huán)境模擬所有或大部分汽車ECU的工作。這個環(huán)境是Vector CANoe。它可用于任何汽車ECU或任何使用CAN實時網(wǎng)絡(luò)通信的控制器的軟件開發(fā)。CANoe是基于事件驅(qū)動的通信訪問編程語言CAPL的面向Windows的工具。CANoe的仿真是基于軟件節(jié)點（每個節(jié)點對應(yīng)一個汽車ECU）。節(jié)點通過虛擬或真實的CAN網(wǎng)絡(luò)連接?？梢詾槊總€節(jié)點定義CAN消息和信號（事件），并可以模擬和測試虛擬CAN網(wǎng)絡(luò)的互通。當(dāng)節(jié)點的軟件經(jīng)過測試和驗證后，可以將其上傳到真實的ECU或用于進一步測試。

      出于IPC的測試目的，CANoe仿真解釋了向IPC發(fā)送消息的永恒ECU和傳感器的行為。因此，通過組織良好的圖形面板（圖8），模擬向IPC發(fā)送消息，測試人員能夠分析（比較）IPC是否正確地可視化。換句話說-IPC行為是否符合（客戶和測試）要求。

圖8 CANoe仿真窗口視圖

      從描述中可以看出，CANoe仿真為IPC的手動測試提供了可能。有一些額外的基于Excel和Visual Basic宏的軟件工具，可以連接到CANoe仿真以提供IPC的半自動化測試。然后運行測試的測試人員必須回答測試問題，驗證IPC單元是否對外部SW工具發(fā)送的測試消息/信號做出正確反應(yīng)，或者使用外部電源單元設(shè)置組合電壓的一些特定值（圖9）或信號發(fā)生器。

      手動或半自動測試的測試結(jié)果和發(fā)現(xiàn)的錯誤會在Excel文件中報告，并發(fā)送給高級管理人員，以便根據(jù)錯誤的優(yōu)先級激活錯誤修復(fù)或更改請求。

      真正的IPC測試需要一些與IPC軟件上傳（刷寫）和EEPROM變量配置相關(guān)的準(zhǔn)備工作。由于IPC軟件有許多軟件更新，因此IPC軟件有專門的程序。所以SW模塊可以按特定順序上傳，否則儀表在測試期間將無法正確反應(yīng)。這同樣適用于設(shè)置EEPROM變量。

圖9 IPC測試的硬件和軟件環(huán)境

      下一個例子與汽車組合的實際導(dǎo)航測試有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)航ECU報告到目的地的距離（圖10）時，發(fā)現(xiàn)了一個錯誤。可以看出，在CANoe仿真中設(shè)置了較大的公里值（上部紅色區(qū)域），儀表盤顯示（下部紅色區(qū)域）上的值被削減到前8位，這與測試要求不符。還發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域可以設(shè)置非數(shù)值，因為數(shù)據(jù)不被解釋為數(shù)字而是被解釋為字符串。

圖10在導(dǎo)航數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)錯誤的測試示例

4.結(jié)論

      本文介紹了針對IPC單元的汽車SW測試技術(shù)，它為駕駛員提供了非常重要的視覺信息。討論了作為密集測試對象的IPC的主要功能，以及相應(yīng)的軟件和硬件測試環(huán)境和工具。

      IPC的測試大多是手動或半自動化的，一方面取決于大量的IPC類型和型號，另一方面取決于這些HW IPC型號的大量軟件版本和更新。很少有完全自動化的測試工具用于將顯示圖標(biāo)與準(zhǔn)備好的圖形數(shù)據(jù)庫中的圖標(biāo)進行比較，但目前它們用于測試少量汽車組合。

      可以看出，汽車測試需要測試人員具備跨學(xué)科技能。他們必須具有嵌入式系統(tǒng)、消息和事件驅(qū)動編程方面的經(jīng)驗，并且具有自動化、電子、機械方面的知識，當(dāng)然還有測試和配置管理理論領(lǐng)域的知識。

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