3分钟带您快速了解HIL测试及其架构

什么是HIL测试

硬件在环（HIL）仿真是一种用于测试导航系统的技术，其中测试前并不知道车辆轨迹。在这种情况下，车辆轨迹被实时馈送到GNSS模拟器。HIL可用于复杂实时系统的开发和测试，如卫星控制系统、军事战术导弹、飞机飞行控制和汽车系统。

而HIL测试是通常是在现场测试之前以及在环模型（MIL）、软件在环（SIL）或处理器在环（PIL）之后的一步。HIL测试至关重要，它涉及在操作中使用的所有硬件和软件。在整个测试流程中：

• MiL（Model-in-the-Loop）模型在环，是在PC上基于模型的测试，输出经过验证的控制算法模型，验证控制算法模型是否准确地实现了功能需求。
• SiL（Software-in-the-Loop）软件在环，是将模型生成代码或者手工编写代码编译成PC程序，在PC上进行的测试，输出经过验证的嵌入式代码，在PC上验证代码实现的功能是否与模型一致。
• PiL（Processor-in-the-Loop）处理器在环，是将代码编译成目标系统程序，然后在PC上虚拟目标硬件环境并进行测试，输出经过验证的目标程序，在目标处理器上验证代码实现的功能是否与模型一致。

HIL（Hardware-in-the-Loop）硬件在环仿真测试系统是采用实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象（比如：汽车、航空飞机等设备）的运行状态，以此判断电控模块的性能。虽然这一系列的测试都有在环（in the loop）的意思，但却不是所有被测模块都带有闭环。比如接收到某信号要用于车辆的车灯控制，这种情况下就不需要闭环，但如果在自动驾驶HIL测试中，想使用GNSS模拟器测试汽车运行是否正常，就需要把自动驾驶仪的信息返回到GNSS模拟器中，再进行下一个轨迹的模拟。

 

在HIL测试中，一般根据它在环的深度分为几个层级：

• ECU级：也可以称之为信号级，仅ECU软硬件采用实物，闭环回路的其他组成部分均采用虚拟仿真系统；
• EPP级：也可以称之为驱动级，EPP是Electrical Power Package的缩写， ECU及执行组件采用实物，闭环回路的其他组成部分采用虚拟仿真系统；
• System级：也可以称之为机械级，系统组件采用实物，闭环回路其他组成部分采用虚拟仿真系统。

总的来说，HIL测试系统主要由三个基本部分组成，分别是实时处理器、I/O接口和可视化的操作界面，其中实时处理器是整个HIL测试系统的核心部分。实时处理器运行场景，发送信号，被测电控模块收到后对受控对象做出相应的控制，以此判断电控模块的性能。通过I/O接口与被测的ECU连接，对被测系统进行全方面的、系统的测试。

 

HIL测试系统具有很多优势，如安全性较高。汽车HIL中，在实车测试之前，以HIL的形式先对控制器做一个全面的功能测试。因为该被控对象是虚拟的，所以HIL比实车测试更加安全高效，而且可以测试一些实车测试中不容易实现的极端情况。此外，HIL测试系统具有丰富的测试功能，以及可以实现测试平台的复用性等，极大的节省了时间和经济成本。

 

基本架构

在HIL测试中，GNSS接收器通常不作为独立设备进行测试，而是与其他仿真器、设备和传感器进行集成，根据HIL架构类比可得到测试系统基本架构。

 

GNSS模拟器的软件相当于操作界面，而由于虹科Safran GNSS模拟器特殊的软件定义架构，它不仅仅是用于提供测试命令、可视化的界面以及性能分析及报告整理等功能的操作界面，还是创建测试场景、信号模拟、生成IQ文件的驱动程序，为GNSS模拟器的硬件提供IQ数据。

GNSS模拟器的硬件部分，相当于HIL中的实时处理器，它接受IQ数据，仿真出模拟的GNSS信号。大多数能获取位置信息的设备都内置了GNSS接收模块，被测的ECU模块会像处理真实信号那样处理GNSS模拟器发送的信号，然后作用于仿真模型。

在定位和导航系统的验证中，有两种类型的 HIL 架构：开环HIL和闭环HIL。

 

开环HIL架构：

 

GNSS模拟器模拟生成HIL中需要的信号并作用于接收机，同时接收机的信息也会以NMEA文件的形式回传到GNSS模拟器中，即可以得到接收的信号和模拟信号的偏差。在这种架构中，GNSS接收机（和一般传感器）的输出不用于控制车辆的轨迹，它是由用户强加的，不一定具有确定性。

 

闭环HIL架构：

包括HIL模拟器、GNSS模拟器、GNSS接收机以及控制部分：

在这种架构中，GNSS接收机（以及一般的传感器）的输出用于导航算法，该算法更新控制车辆的执行器，执行器的输出发送车辆位置到GNSS模拟器，GNSS模拟器根据位置信息进行信号模拟并作用于GNSS接收机，形成闭环。但是要注意，在这种情况下，GNSS接收机计算的位置直接影响模拟轨迹，从而影响广播到GNSS接收器的RF信号。

 

测试方案

在闭环架构中，虹科Safran软件定义架构的GNSS模拟器提出了自动驾驶的HIL测试方案。自动驾驶中车辆的真实位置是随着场景的进展而确定并实时反馈给模拟器。

 

首先实时处理器部分和架构一样，GNSS模拟器和HIL模拟器都属于实时处理器部分，模拟器分别把模拟器信号发送给相应的传感器和接收机，经过处理计算后，再控制调节器。调节器的信息又反馈给模拟器进行计算模拟。

虹科Safran GNSS模拟器支持通过位置、速度、加速度和方向命令集成6自由度轨迹的固定延迟流，来将实际GNSS射频信号集成到HIL系统中，车辆的方向及其变化以及卫星功率水平也可以通过实时命令进行控制。

虹科Safran Skydel支持在任何地点使用，可以模拟所有星座、所有频率的所有可见卫星，具有1000Hz的迭代率和超高的动态，随时随地创建并更新场景。高级干扰和欺骗功能允许用户同时模拟多种威胁，自动确定每个信号之间的信号动态，节省时间成本，并能够使用Python、C#和C++的开源客户端库构建复杂、复杂和可重复的场景。

• 在一个用户界面中实现所有功能
• 通过直观的UI和自动化轻松配置
• 支持所有主要的全球星座和频率
• 多种API（Python、C#、C++、LabVIEW）
• 高级信号定制和场景创建
• 实时修改变量和参数
• 无需额外硬件即可集成干扰
• IQ文件生成和回放

目前，自动驾驶HIL测试中为了还原更加真实的场景，要求GNSS模拟器和其它传感模拟器发送到被测系统的信号同时到达，并且在其它模拟器分析计算好真实位置信息发送到GNSS模拟器后，需要能够及时的进行GNSS信号的模拟，更好的保证它的实时性。这两个要求让自动驾驶HIL测试面临着两个问题，那就是同步和时延的问题。

 

对于同步，需要考虑：

• 如何处理HIL测试的同步化和时钟系统？
• HIL模拟器和虹科Safran Skydel GNSS模拟器能否使用一个共同的时钟源？

对于时延：

• 从HIL模拟器的输入（自动驾驶仪命令）和GNSS模拟器的输出（GNSS射频信号）如何使他们的延迟最小化，以保证模拟的实时性呢？

在下期文章中我们将继续讨论如何解决这两个问题。