HIL第2講，零基礎(chǔ)教程，HIL來源和實(shí)時(shí)系統(tǒng)

第二講，本節(jié)簡要介紹HIL的歷史，并介紹什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，閱讀本節(jié)之后，讀者應(yīng)學(xué)會(huì)自行分析自己的測試對象，看看需要不需要實(shí)時(shí)系統(tǒng)，以及，需要什么樣的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，還可以對自己的測試對象的實(shí)時(shí)性，做一些簡單的評估。

上一節(jié)我們總體上聊了本系列文章的目的，從本講開始，我們進(jìn)入正題。本節(jié)，我們聊聊HIL系統(tǒng)的起源，以及什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

HIL系統(tǒng)很厲害，但是它是怎么誕生的呢？

我們假設(shè)該偏文章的讀者都具有單片機(jī)的概念（汽車上的控制器就是一個(gè)加強(qiáng)型的單片機(jī)），那么回想一下，大學(xué)時(shí)候，我們是怎么在硬件層次上測試單片機(jī)呢？

一般都是，從淘寶上買個(gè)開發(fā)板或者自己做一個(gè)開發(fā)板，把代碼燒進(jìn)去之后，把單片機(jī)外設(shè)的IO輸入用導(dǎo)線印出來，把導(dǎo)線的另一端跟電源或者地點(diǎn)觸一下又一下，跟電焊似的，創(chuàng)造數(shù)字信號(hào)輸入，看單片機(jī)的反應(yīng)如何。對于單片機(jī)的輸出，我們一般是拿個(gè)示波器測試PWM波，或者拿個(gè)萬用表測數(shù)字量輸出。總之，單片機(jī)需要什么，我們就給它創(chuàng)造什么，單片機(jī)輸出什么，我們就想辦法檢測什么。

上個(gè)世紀(jì)80年代之前，全世界范圍內(nèi)還沒有新能源車，燃油車上的控制器也很少，沒有ABS、ESP、SPB、氣囊、ADAS、雨量傳感器……，汽車控制器的開發(fā)還是很簡單的，所以，還是勉強(qiáng)可以按大學(xué)單片機(jī)的做法來開發(fā)的。但也正是上個(gè)世紀(jì)80年代起，汽車技術(shù)蓬勃發(fā)展，大量的新技術(shù)和電子產(chǎn)品開始引入到汽車中，整車的復(fù)雜度大大提升，這在提高了汽車的安全性、舒適性的同時(shí)，也大大增加了汽車開發(fā)的工作量，開發(fā)周期變得更長了。

在這個(gè)時(shí)候，在汽車起源的地方，銳意進(jìn)取的日耳曼人再一次走在了世界的前列，Herbert Hanselmann博士在University of Paderborn成立了dSPACE公司，并同時(shí)發(fā)布了兩款劃時(shí)代的產(chǎn)品：快速原型、HIL。附圖一張創(chuàng)始人的畫像：

這兩個(gè)產(chǎn)品相互合作，完美解決了當(dāng)時(shí)乃至今天仍然存在的兩大難題：1、我做好了軟件，但是硬件還需時(shí)日，樣車快下線了，怎么能找一個(gè)控制器，把軟件燒進(jìn)去，裝到車上代替我的硬件，先頂一下，別耽誤車輛進(jìn)度；2、我的軟件、硬件都做好了，軟件也燒進(jìn)去了，在裝車之前，我想先在測試環(huán)境中對它進(jìn)行細(xì)致地檢查和測試（畢竟在車上很難創(chuàng)造各種邏輯條件，覆蓋率較低），最好能讓我覺得像是真的在操作一輛車。

dSPACE公司是HIL產(chǎn)品乃至HIL概念的發(fā)明者，時(shí)至今日仍是這個(gè)領(lǐng)域全球最優(yōu)秀的選手，追隨者、模仿者有一大批，比如ETAS、NI，以及其他一眾叫不上來名字的小公司。師子一號(hào)的此系列文章，只聊HIL，快速原型不談。

當(dāng)年，dSPACE的HIL，主要是針對發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（Engine Control Unit）ECU的，所以，當(dāng)下全世界大多數(shù)HIL設(shè)備，都帶有發(fā)動(dòng)機(jī)的靈魂，冥想起來，似乎有一股淡淡的汽油味。整車模型、故障注入、實(shí)時(shí)系統(tǒng)……這些概念全部都是因?yàn)楫?dāng)年測試發(fā)動(dòng)機(jī)而搞出來的，針對發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU盾測試，這些東西基本上都是是必須的。

先說第一個(gè)，什么是HIL領(lǐng)域的實(shí)時(shí)系統(tǒng)？師子一號(hào)對它的定義為：操作系統(tǒng)控制板卡輸出或者輸入信號(hào)，最大時(shí)延是可控的，這就是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它和“運(yùn)行速度快”不是一個(gè)概念，強(qiáng)調(diào)的是可靠性可控性。我們打個(gè)比方，公司八點(diǎn)半上班，有兩位員工，都挺勤快，甲每天大概都是8點(diǎn)20到，乙在多數(shù)情況下，都是8點(diǎn)10分之前到。但是，甲從來沒有遲到過，最遲也是8點(diǎn)29，而且，我們分析甲的起床時(shí)間，通勤方式……也確實(shí)相信他以后也不大可能會(huì)遲到；而乙，就不是了，他在多數(shù)情況下都能早早到公司，但他偶爾會(huì)遲到，甚至，下大雪了時(shí)候，還可能會(huì)臨時(shí)請假甚至?xí)绻ぁ?/p>

在這個(gè)例子中，8點(diǎn)30，就是最大時(shí)延，也是判斷在該場景下是不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是相對某一標(biāo)準(zhǔn)而言的，一個(gè)系統(tǒng)在汽車行業(yè)是實(shí)時(shí)的，到了航天領(lǐng)域可能就不是實(shí)時(shí)的了。很明顯，甲員工就是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而乙不是。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要有l(wèi)inux－RT、Vxworks等類型。

那，為什么發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測試需要實(shí)時(shí)系統(tǒng)呢？答案在于ECU處理的信號(hào)很特殊，氧傳感器、爆震傳感器、曲軸凸輪軸位置傳感器；點(diǎn)火控制……這些都是以一定頻率變化的，假如，我們想通過板卡的pin，輸出給ECU的某一輸入pin下圖所示的信號(hào)（橫軸代表時(shí)間，數(shù)軸代表電壓），當(dāng)然，這是理想信號(hào)。

如果我們采用實(shí)時(shí)系統(tǒng)，那，我們雖然不能保證信號(hào)的實(shí)際時(shí)序曲線和圖中完全一樣，但能保證是在它可控的附近，從而滿足ECU對該信號(hào)的時(shí)間延遲的定義及要求，確保ECU不報(bào)故障（這些故障是ECU實(shí)現(xiàn)定義好的、ECU軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了）；如果我們采用非實(shí)時(shí)的單核系統(tǒng)，則有可能當(dāng)我們在這個(gè)系統(tǒng)上同時(shí)進(jìn)行別的操作時(shí)，比如用matlab進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)致進(jìn)程擁塞，上圖某個(gè)點(diǎn)的信號(hào)出現(xiàn)較大時(shí)間后延，超出了ECU的時(shí)延，從而導(dǎo)致ECU報(bào)了故障。

而且，請讀者注意一點(diǎn)，上圖這個(gè)周期為6．28秒，一周期變化20次的信號(hào)，靠人工操作是不可能實(shí)現(xiàn)的，必須通過軟件，而且是運(yùn)行在實(shí)時(shí)系統(tǒng)上的軟件。這個(gè)所謂的軟件，就是“整車模型”的一部分。下一講師子一號(hào)將會(huì)詳細(xì)說說什么是整車模型。

上面這個(gè)例子，清晰展示了所謂實(shí)時(shí)系統(tǒng)的作用。當(dāng)年dSPACE公司大力推行實(shí)時(shí)系統(tǒng)，是因?yàn)闆]它不行，而且多核處理器還沒有出生。所以，HIL系統(tǒng)就成了那副樣子，兩個(gè)主機(jī)，一個(gè)主機(jī)裝上實(shí)時(shí)系統(tǒng)，成了一個(gè)大號(hào)的單片機(jī)，然后用它作為標(biāo)準(zhǔn)，去給另一個(gè)增強(qiáng)型的迷你單片機(jī)提供輸入輸出信號(hào)；另一個(gè)主機(jī)是一個(gè)普通PC，做一些文檔編輯、測試用例設(shè)計(jì)操作的工作，兩個(gè)主機(jī)之間一般通過網(wǎng)線通訊。

可是，時(shí)代是會(huì)變化的，CPU、操作系統(tǒng)的技術(shù)也是不斷升級的，現(xiàn)在的多核CPU，已經(jīng)完全可以通過軟件對普通windows系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)化，不再需要兩臺(tái)獨(dú)立主機(jī)了。而且，并不是所有的控制器都像ECU那樣，有這種高時(shí)間特性的信號(hào)，需要實(shí)時(shí)系統(tǒng)來測試。比如VCU、HCU、BMS、BCM、FCU、網(wǎng)關(guān)……普通的單機(jī)win7系統(tǒng)完全綽綽有余。

我們需要實(shí)時(shí)系統(tǒng)，是因?yàn)?，如果信?hào)延遲了，被測對象要報(bào)錯(cuò)，基本無法再正常工作。而這樣的“報(bào)錯(cuò)”，對被測對象而言，是一個(gè)正常且必須的功能。所以，看看被測對象是否有這樣的“時(shí)延檢測”功能，是我們判斷是否需要實(shí)時(shí)系統(tǒng)的最重要的依據(jù)。

經(jīng)綜合考慮，本系列文章主要講單主機(jī)普通PC、WIN7系統(tǒng)的HIL，和雙主機(jī)的HIL。普通win7系統(tǒng)的實(shí)時(shí)化技術(shù)，可以成本極低的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但在汽車行業(yè)比較小眾，不做介紹，讀者可自行研究。

可是，為什么“兩臺(tái)主機(jī)”這種架構(gòu)的HIL系統(tǒng)，仍然是HIL供應(yīng)商力推的呢？哪怕你測個(gè)BCM，也給你推銷這種架構(gòu)。因?yàn)?，看起來很龐大，可以擴(kuò)大消費(fèi)，提高GDP…