推動(dòng)汽車電氣化，馬自達(dá)使用軟件定義的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

"利用NI測(cè)試平臺(tái)和生態(tài)系統(tǒng)，我們不僅成功開發(fā)了HILS，而且還成功開發(fā)了機(jī)器人、圖像處理系統(tǒng)、語(yǔ)音合成系統(tǒng)、噪聲模擬器和GPS模擬器，進(jìn)而搭建了一個(gè)集成的電子組件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。 手動(dòng)操作和結(jié)果判斷相關(guān)的工時(shí)減少了90%，每年節(jié)省了數(shù)億美元的成本。"

挑戰(zhàn)

構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，從頭到尾全面檢驗(yàn)邏輯并評(píng)估相互協(xié)作的電子元件的魯棒性，包括相關(guān)操作和結(jié)果判斷。

解決方案:

基于NI平臺(tái)使用PXI產(chǎn)品、可重新配置的I/O模塊(FPGA)和LabVIEW構(gòu)建HILS系統(tǒng)，并集成噪聲模擬器、GPS模擬器和語(yǔ)音合成系統(tǒng)等其他元件來(lái)評(píng)估魯棒性，同時(shí)集成機(jī)器人和圖像處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)自動(dòng)化。

背景介紹

眾所周知，汽車正在快速融入越來(lái)越多的電子產(chǎn)品。 從自動(dòng)雨刮器和門鎖開始，電子產(chǎn)品已經(jīng)成為許多汽車組件的一部分，包括照明、空調(diào)、動(dòng)力總成、信息娛樂(lè)系統(tǒng)，甚至各種安全系統(tǒng)。 一開始，汽車僅配備了幾個(gè)CPU。 而現(xiàn)在，汽車中的CPU數(shù)量已近百。

為了向客戶提供高品質(zhì)的產(chǎn)品，馬自達(dá)電子測(cè)試和研究團(tuán)隊(duì)需要評(píng)估所有電子元件的“邏輯”和“魯棒性”。 '邏輯'是指每個(gè)電子組件的功能。 而要理解“魯棒性”這一概念，首先需要認(rèn)識(shí)到電子元件的工作環(huán)境并不總是處于理想狀態(tài)。 例如，元件可能會(huì)暴露于極端的條件下，如電源電壓發(fā)生波動(dòng)、噪聲級(jí)別較高或輸入信號(hào)不理想。 “魯棒性”是指組件在極端環(huán)境中使用正確邏輯正常工作的能力。 換句話說(shuō)，我們希望評(píng)估每個(gè)電子元件對(duì)這些惡劣條件的承受力。

挑戰(zhàn)

電子元件的邏輯和魯棒性一直都在評(píng)估的范疇內(nèi)。 過(guò)去，僅有幾種電子元件執(zhí)行簡(jiǎn)單的功能時(shí)，元件在專門準(zhǔn)備的環(huán)境中單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。 然而，隨著電子元件的多樣性和功能復(fù)雜性不斷增加，這種操作漸漸露出弊端。 現(xiàn)在，多個(gè)電子元件系統(tǒng)之間會(huì)進(jìn)行通信，并且一個(gè)系統(tǒng)的操作越來(lái)越依賴于來(lái)自其他系統(tǒng)的結(jié)果。 除了逐個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試外，還必須進(jìn)行多系統(tǒng)測(cè)試才能有效地評(píng)估此類系統(tǒng)的功能。 此外，還必須評(píng)估系統(tǒng)的魯棒性。 然而，隨著各種組件和單元的不斷增加，要評(píng)估的項(xiàng)目數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。 因此，我們很清楚評(píng)估系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

十年來(lái)，馬自達(dá)一直意識(shí)到這些需求， 但是卻找不到滿足所有需求的評(píng)估系統(tǒng)。 鑒于這種情況，我們決定正面解決這個(gè)問(wèn)題。 換而言之，我們決定開發(fā)一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)從頭到尾徹底驗(yàn)證邏輯并評(píng)估相互協(xié)作的電子元件的魯棒性。

解決方案/優(yōu)勢(shì)

我們需要開發(fā)的系統(tǒng)將會(huì)非常龐大且復(fù)雜。 因此，開發(fā)工作預(yù)計(jì)需要幾年時(shí)間并分階段完成。 圖1是第一階段的示意圖。 Stage-1系統(tǒng)由以下元素組成：HILS(硬件在環(huán)仿真)引擎、機(jī)器人和圖像處理系統(tǒng)。 對(duì)于HILS引擎，NI HILS系統(tǒng)由NI PXI(面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)產(chǎn)品和RIO(可重配置的I/O)模塊組成。 我們基于LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，開發(fā)了在這些硬件產(chǎn)品上運(yùn)行的軟件。

圖1.第一階段的示意圖

將HILS納入此系統(tǒng)的原因如下。 首先是馬自達(dá)一直朝著“全球首創(chuàng)”的目標(biāo)努力。 比如，馬自達(dá)致力于推進(jìn)基于模型的解決方案的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，以保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。 鑒于這種創(chuàng)新文化，在可能的情況下，我們當(dāng)然希望利用模型來(lái)評(píng)估電子元器件。 但是，我們知道有些組件根本無(wú)法建模。 雖然對(duì)于不適合建模的零件，我們可以采用其他系統(tǒng)，但最終我們決定擴(kuò)展HILS系統(tǒng)的功能。 由于NI PXI平臺(tái)適用于構(gòu)建各種測(cè)試系統(tǒng)，因此我們可以在一個(gè)系統(tǒng)上同時(shí)構(gòu)建HILS部分和擴(kuò)展部分。

有些組件無(wú)法建模，而人機(jī)界面的開發(fā)也非常具有挑戰(zhàn)性。 對(duì)于無(wú)法建模的組件，我們舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子——速度計(jì)。 想象一下速度表顯示車速值為“50公里/小時(shí)”。 在這種情況下，控制器將顯示“50公里/小時(shí)”的命令作為電信號(hào)發(fā)出。 這種信號(hào)可以在模擬過(guò)程中進(jìn)行評(píng)估，也可以在實(shí)際車輛上進(jìn)行確認(rèn)。 只要系統(tǒng)運(yùn)行正常，基于接收到的信號(hào)，速度計(jì)會(huì)顯示'50 km/h'。 然而，為了檢查實(shí)際是否顯示'50km/h'，需要駕駛員目視確認(rèn)結(jié)果。 換句話說(shuō)，駕駛員對(duì)汽車信息的感知過(guò)程無(wú)法轉(zhuǎn)換為模型。 類似地，駕駛員為了向汽車傳遞信息而執(zhí)行的操作也是無(wú)法建模的。 例如，駕駛員可以按下按鈕來(lái)打開/關(guān)閉空調(diào)，或點(diǎn)擊觸摸面板來(lái)操作導(dǎo)航系統(tǒng)。 但是我們根本不可能建立一個(gè)模型來(lái)準(zhǔn)確地復(fù)制這些操作所帶來(lái)的細(xì)微狀態(tài)變化。

雖然驗(yàn)證無(wú)法建模的系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)性，但秉承馬自達(dá)一貫的宗旨“Be a driver”，我們決定花費(fèi)額外的精力為這些具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域開發(fā)測(cè)試工程策略和方法。 如上所述，為駕駛員與汽車之間的交互建模非常困難。 但是簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果駕駛員要將信息傳達(dá)給車輛(電子部件)，就需要操縱按鈕或其他類型的儀表。 而這種操作需要通過(guò)手來(lái)實(shí)現(xiàn)。 事實(shí)上，手動(dòng)執(zhí)行這些測(cè)試是可行的。 但是，手動(dòng)測(cè)試需要大量的時(shí)間和人力。 因此，我們制定的自動(dòng)化評(píng)估機(jī)制就非常關(guān)鍵。 為了滿足這個(gè)需求，我們開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人來(lái)操作電子元件。 機(jī)器人通過(guò)電腦進(jìn)行控制，代替人工按下按鈕，輕觸觸摸面板。 同樣，我們也需要考慮如何將信息從汽車(電子組件)傳達(dá)給駕駛員。 回到車速表的例子，傳統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程由工程師目測(cè)檢查，確定實(shí)際是否顯示'50公里/小時(shí)'。 為了使這部分評(píng)估自動(dòng)化，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)圖像處理系統(tǒng)。 具體來(lái)說(shuō)，這一自動(dòng)化過(guò)程是指使用攝像頭拍攝速度計(jì)的顯示器，然后提供處理獲得的圖像來(lái)確定結(jié)果是否正確。 例如，如果使用七段LED顯示屏顯示速度，攝像頭將拍攝LED顯示屏并處理獲取的圖像以識(shí)別數(shù)字并確認(rèn)顯示的速度。 或者，如果使用指針顯示器來(lái)顯示速度，則圖像處理會(huì)測(cè)量指針的角度，并使用該值來(lái)計(jì)算以小時(shí)/公里為單位的速度。 通過(guò)監(jiān)測(cè)和比較來(lái)自控制單元和顯示器的信號(hào)，系統(tǒng)可以確定速度是否正確顯示。

在該系統(tǒng)中，我們也可以借助軟件使用虛擬系統(tǒng)(虛擬電子部件)來(lái)替代每個(gè)電子部件。 之前我們只能在所有電子元件完成后才能開始評(píng)估，這是一個(gè)很大的限制。 我們希望盡快開始測(cè)試并獲得結(jié)果，因此我們會(huì)盡可能使用虛擬電子組件替代實(shí)際組件。 這些虛擬組件不僅能夠像真實(shí)組件那樣工作，而且外觀和感覺(jué)上也非常相似。 這種利用虛擬組件的能力實(shí)現(xiàn)了靈活的測(cè)試。 視測(cè)試內(nèi)容而定，僅在必要時(shí)才使用實(shí)際零件;否則，可以使用虛擬組件替代 。

上述內(nèi)容描述的都是自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的邏輯驗(yàn)證組件。 此外 ，我們需要增加更多功能來(lái)評(píng)估魯棒性。 馬自達(dá)非常重視驗(yàn)證魯棒性;我們并不止于簡(jiǎn)單地確定邏輯是否正確。 在馬自達(dá)，魯棒性的評(píng)估首先需要確定在邏輯正常運(yùn)行情況下組件接近其極限的條件，然后確定余裕量。 產(chǎn)品是否合格的余裕量根據(jù)內(nèi)部獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)確定。 這一評(píng)估過(guò)程使公司能夠提供出色的用戶體驗(yàn)，同時(shí)也為馬自達(dá)及其供應(yīng)商的設(shè)計(jì)部門提供精確的反饋。

在所有用于測(cè)試魯棒性的條件中，最具代表性的條件是電源電壓波動(dòng)和高噪聲環(huán)境。 例如，我們可以改變電源電壓來(lái)確定所評(píng)估的電子部件發(fā)生故障的臨界點(diǎn)。 為了評(píng)估高噪聲條件下的魯棒性，第二階段的系統(tǒng)增加了一個(gè)噪聲模擬器(見(jiàn)圖1)。

然而，不利條件下的邏輯性能并不是魯棒性評(píng)估的唯一指標(biāo)。 例如，車輛功能包括使用語(yǔ)音命令來(lái)操作車輛。 這也是在魯棒性評(píng)估的范疇內(nèi)。 為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)中增加了語(yǔ)音合成系統(tǒng)。 該系統(tǒng)兼容日文和英文兩種語(yǔ)言，并且會(huì)以各種不同的聲音發(fā)出聲音命令，包括男性或女性、年輕人或老年人，因?yàn)椴煌曇艟哂胁煌膹?qiáng)度，發(fā)音清晰程度也不同。 我們需要評(píng)估系統(tǒng)的魯棒性，以確定在不同的條件下指令能夠被正確識(shí)別的程度。

第三階段增加了GPS模擬器。 這個(gè)GPS模擬器主要用于生成日本境內(nèi)不同位置的GPS坐標(biāo)的模擬無(wú)線電信號(hào)。 這使我們無(wú)需實(shí)際前往各個(gè)地點(diǎn)就能夠進(jìn)行模擬評(píng)估。 我們希望在不斷改變GPS模擬器的無(wú)線電波強(qiáng)度的情況下評(píng)估系統(tǒng)正確運(yùn)行的能力。 換句話說(shuō)，這是另一個(gè)要評(píng)估的魯棒性要素。 請(qǐng)注意，對(duì)于第三階段，操作機(jī)器人已升級(jí)為能夠一次性觸摸或輕敲多個(gè)位置。

在第四階段，我們對(duì)GPS模擬器進(jìn)行了升級(jí)，可進(jìn)行全球定位。 另外，語(yǔ)音合成系統(tǒng)增加了西班牙語(yǔ)支持。 此外，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)藍(lán)牙信號(hào)分析儀和一個(gè)用于檢測(cè)安全漏洞的模糊測(cè)試工具(參見(jiàn)圖2)。 但是，具有上述所有功能的系統(tǒng)需要占用相當(dāng)大的空間面積。 為了使測(cè)試更加方便，我們將系統(tǒng)分成幾個(gè)小型系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都包含原始系統(tǒng)的特定功能(見(jiàn)圖3和4)。

圖2.第四階段的示意圖

圖3.小型子系統(tǒng)1的外觀圖

圖4.小型子系統(tǒng)2的外觀圖

通過(guò)這種方式，我們成功構(gòu)建了世界上第一個(gè)能夠自動(dòng)評(píng)估多個(gè)協(xié)同工作的電子組件的邏輯和魯棒性的系統(tǒng)。 如前所述，我們開發(fā)的系統(tǒng)是前所未有的，并且基于全新的概念。 此外，這是一個(gè)非常復(fù)雜的大型系統(tǒng)。這一成功歸功于幾個(gè)因素。 這一成功歸功于幾個(gè)因素。

首先是馬自達(dá)電子測(cè)試和研究小組的存在。 換句話說(shuō)，馬自達(dá)擁有自己的專業(yè)內(nèi)部測(cè)試工程團(tuán)隊(duì)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。 這一成功歸功于幾個(gè)因素。隨著電子元器件評(píng)估技術(shù)開始達(dá)到瓶頸，測(cè)試工程師需要思考如何改進(jìn)技術(shù)。 面對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，如果大部分測(cè)試相關(guān)問(wèn)題都交給外包商，那么什么都不可能解決。 這個(gè)高度專業(yè)化的內(nèi)部團(tuán)隊(duì)的存在意味著他們可以充分探索可能的解決方案和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。 換句話說(shuō)，馬自達(dá)自己的內(nèi)部團(tuán)隊(duì)在解決這些問(wèn)題方面發(fā)揮主導(dǎo)作用這一點(diǎn)非常重要。

另一個(gè)影響因素是NI產(chǎn)品系列。 NI的優(yōu)勢(shì)之一是NI以平臺(tái)為中心的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括來(lái)自聯(lián)盟伙伴和相關(guān)公司的兼容產(chǎn)品。 例如，我們構(gòu)建的系統(tǒng)包含了機(jī)器人、圖像處理系統(tǒng)、語(yǔ)音合成系統(tǒng)以及其他各種元素。 從一家公司獲得所有這些要素是非常困難的。 相反，我們選擇了各公司最合適的產(chǎn)品，并使用LabVIEW和其他解決方案將它們與NI HIL系統(tǒng)集成在一起。 這成為我們成功的關(guān)鍵因素，NI生態(tài)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的支持。 當(dāng)然，如果適用的話，我們也可以選擇集成交鑰匙解決方案。 但是，鑒于我們的目標(biāo)是構(gòu)建同類首個(gè)系統(tǒng)，NI解決方案是最符合我們需求的選擇。

此外，NI產(chǎn)品提供的高性能和高編程自由度非常適合開發(fā)此系統(tǒng)。 在硬件性能方面，高采樣速率(時(shí)間分辨率)是一個(gè)重要因素。 在我們的系統(tǒng)中，邏輯驗(yàn)證需要毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率。 另一方面，噪聲的影響很難進(jìn)行評(píng)估，除非采樣以微秒級(jí)進(jìn)行。 NI硬件是唯一能夠以微秒級(jí)進(jìn)行采樣的產(chǎn)品。 另外，NI硬件包含一個(gè)內(nèi)置的用戶可編程FPGA。 沒(méi)有其他產(chǎn)品提供這種自由度。 如果采用交鑰匙式解決方案，用戶很可能需要為每次的汽車更新?lián)Q代輛購(gòu)買全新的系統(tǒng)。 而NI解決方案不僅具有靈活性，而且還具有可持續(xù)性。 幾乎所有的NI硬件都可以持續(xù)使用，只需添加或修改選定的模塊即可。 適應(yīng)未來(lái)需求的能力是這個(gè)系統(tǒng)的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。

我們新開發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N協(xié)同工作的電子元件進(jìn)行邏輯驗(yàn)證和魯棒性評(píng)估。 事實(shí)上，以前沒(méi)有這樣的系統(tǒng)能夠幫助我們獲得如此巨大的成功。 另外，我們能夠自動(dòng)化各種測(cè)試的相關(guān)操作和結(jié)果判斷。 這極大地減少了工作量，給我們帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)。 對(duì)于單個(gè)電子元件的情況，與手動(dòng)測(cè)試相比，測(cè)試時(shí)間減少了90%。 此外，我們使用攝像頭拍攝儀表顯示器(如速度計(jì))，然后使用系統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)估功能來(lái)處理圖像，這一做法與以前的方法相比，所需的工時(shí)減少了90%。

未來(lái)開發(fā)計(jì)劃

這一新開發(fā)的系統(tǒng)將繼續(xù)逐步完善。 目前，我們的目標(biāo)是使用這個(gè)NI產(chǎn)品系統(tǒng)評(píng)估所有電子元件。 因此，電子測(cè)試和研究小組目前的工作重點(diǎn)評(píng)估所有電子組件，包括與動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的組件。 在這個(gè)新開發(fā)的系統(tǒng)之前，我們使用交鑰匙HIL系統(tǒng)來(lái)評(píng)估動(dòng)力總成的相關(guān)部件。 因此這些組件被排除在該系統(tǒng)的目標(biāo)項(xiàng)目之外。

無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)還是電子元件，馬自達(dá)都將繼續(xù)朝“世界首創(chuàng)”的目標(biāo)努力。 而且，隨著汽車零部件的創(chuàng)新也要求測(cè)試進(jìn)行創(chuàng)新，馬自達(dá)也將持續(xù)完善其評(píng)估流程。