??關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)、軟件在環(huán)（SiL）、測試、生命周期
01.簡介
當(dāng)前，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的大趨勢為通過軟件實(shí)現(xiàn)大量的硬件功能，這導(dǎo)致軟件的復(fù)雜程度顯著上升——代碼開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)也成倍增加。復(fù)用已有系統(tǒng)中的軟件組件是改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)生命周期的一種可能的解決方案，對代碼的可移植性和可測試性有較高要求。
測試的復(fù)雜度和成本與代碼量正相關(guān)，盡早發(fā)現(xiàn)可能存在的錯(cuò)誤可以避免后續(xù)階段的成本?？紤]到軟件開發(fā)過程的“V”型模型，在軟件模塊測試（Module tests）和軟件集成測試（Integration tests）階段應(yīng)該使用 SiL（Software-in-the-Loop）環(huán)境。
?▲嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的“V”模型
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?本文的主要目的在于橫向?qū)Ρ葢?yīng)用HiL和SiL測試環(huán)境所獲得的結(jié)果，以證明SiL測試的可靠性。本文被測嵌入式系統(tǒng)針對英飛凌C167CR單片機(jī)開發(fā)，操作系統(tǒng)選用的是典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS，Real Time Operating System）OSEK 操作系統(tǒng)，被測功能為控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
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02.實(shí)踐1：HIL測試
硬件在環(huán)（HiL）測試是一種無損檢測環(huán)境，常見的被測設(shè)備（Device Under Test， DUT）一般為控制器硬件，如整車控制器VCU（Vehicle Control Unit）、電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）。本實(shí)踐的HiL測試框圖如下圖所示，帶有DUT的接口板是使用NI PCI 6251高速多功能數(shù)據(jù)采集板完成。
??▲HiL測試框圖
?本實(shí)踐中，HiL測試由三部分組成：
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主機(jī)PC（HOST PC）：直流電機(jī)模型由MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)，并使用Real-Time Workshop和xPC Target編譯為xPC實(shí)時(shí)內(nèi)核。
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目標(biāo)計(jì)算機(jī)：直流電機(jī)模型通過實(shí)時(shí)約束運(yùn)行，模擬信號(hào)通過接口板卡轉(zhuǎn)換為物理信號(hào)。
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嵌入式硬件系統(tǒng)：被測控制算法。
A：直流電機(jī)模型
用于直流電動(dòng)機(jī)建模的方程如下所示：
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?其中，Ia為電機(jī)電流，Va為電機(jī)電壓，Ωm為角速度，Ra為終端電阻，La為終端電感，J為慣性，b為摩擦系數(shù)，Km為扭矩常數(shù)，Ts為采樣周期，T為電機(jī)扭矩，TL為負(fù)載扭矩，Vb為反電動(dòng)勢電壓。
基于上述公式的MATLAB/Simulink離散模型實(shí)現(xiàn)如下圖所示：
▲直流電機(jī)的Simulink離散模型
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B：控制算法實(shí)現(xiàn)
本實(shí)踐所采用的控制算法選擇的是工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的PID算法（比例積分微分）。使用積分項(xiàng)的雙線性變換法和微分項(xiàng)的反向變換法，即可從下列公式中獲得PID算法的遞歸離散形式：
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?其中，K是比例常數(shù)，τi是積分常數(shù)，τd是導(dǎo)數(shù)常數(shù)，Ts是采樣周期。
控制算法是在基于OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的10毫秒任務(wù)上實(shí)現(xiàn)的。角速度的測量方法如文獻(xiàn)[2]所述，使用 HALL傳感器，在1Hz至10kHz范圍內(nèi)的絕對精度小于1Hz。
03.實(shí)踐2：SIL測試
本實(shí)踐的SiL測試基于OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的仿真，測試框圖如下圖所示：
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OSEK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、被測控制算法代碼和XCP模塊一起封裝成一個(gè)S函數(shù)。
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仿真操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動(dòng)程序、XCP和S函數(shù)與MATLAB/Simulink模型中的直流電機(jī)模型形成閉環(huán)。
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GUI：Graphical User Interface，圖形用戶界面。
▲SiL測試框圖
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XCP主要用于測量和校準(zhǔn)嵌入式系統(tǒng)變量，所選用的標(biāo)定工具為CANApe，也用于保持?jǐn)?shù)據(jù)測量值與在HiL環(huán)境中所獲得的數(shù)據(jù)測量值一致。通過這種方式可以輕松比較以證明SiL測試的可靠性。
選用四個(gè)非搶占式任務(wù)：10ms、20ms、40ms和80ms。任務(wù)啟動(dòng)延遲及其時(shí)間調(diào)度如下圖所示：
▲數(shù)據(jù)對比圖
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?SiL測試中，每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間被認(rèn)為等同于仿真步長，因此不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)間過長而影響另一個(gè)任務(wù)的情況，無需采取特別措施。
外圍設(shè)備等與處理器相關(guān)的一切都在S函數(shù)內(nèi)模擬；硬件驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)調(diào)節(jié)電路通過MATLAB/Simulink 模型中的附加系統(tǒng)進(jìn)行模擬；PWM驅(qū)動(dòng)器模型和HALL傳感器模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。Simulink模型如下圖所示：
▲SiL測試中的MATLAB/Simulink模型
04.對比結(jié)果與結(jié)論
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在完成SiL和HiL測試環(huán)境的搭建后，對比同一條件下的測試結(jié)果即可證實(shí)SiL的可靠性。為此，使用相同的參數(shù)對控制算法進(jìn)行校準(zhǔn)，將角速度設(shè)定為1000rpm。通過對比角速度反饋值（模擬步長均為200us）可知，兩種測試結(jié)果完全相同，SiL的可靠性得到證實(shí)。
▲SiL與HiL的測試結(jié)果
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然而，通過測試不同步長下的實(shí)際模擬執(zhí)行時(shí)間可知，模擬的時(shí)間越短，實(shí)際執(zhí)行時(shí)間就越長，因此必須權(quán)衡模擬精度和實(shí)際執(zhí)行時(shí)間，選擇一個(gè)折中、合適的模擬步長。顯然，SiL環(huán)境下主機(jī)PC的性能對實(shí)際執(zhí)行時(shí)間的影響很大。
▲不同步長下，模擬1分鐘所需的實(shí)時(shí)執(zhí)行時(shí)間
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模型的復(fù)雜性同樣會(huì)對實(shí)際執(zhí)行時(shí)間產(chǎn)生影響。SiL最大的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)受到時(shí)間約束和模型復(fù)雜性的約束，而HiL測試下，使用復(fù)雜模型則可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞，能夠使用HiL測試的模型復(fù)雜性與真實(shí)HiL硬件的處理能力和可用資源密切相關(guān)，正確的模型選擇便成為HiL測試的難點(diǎn)。
綜上所述，SiL測試對于嵌入式代碼測試是可靠的。最大的缺點(diǎn)與模擬步長參數(shù)有關(guān)：實(shí)現(xiàn)模型的精度越高，執(zhí)行時(shí)間越長。因此得出結(jié)論：
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當(dāng)測試目標(biāo)為與硬件相關(guān)的參數(shù)時(shí)，如通過測量操作系統(tǒng)的空閑任務(wù)來測量處理器負(fù)載、任務(wù)激活延遲、任務(wù)運(yùn)行時(shí)間值、中斷鎖定時(shí)間、資源鎖定時(shí)間等，SiL測試是不可靠的。
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當(dāng)測試目標(biāo)為軟件功能時(shí)，SiL是可靠的。
此外，模塊之間的接口也可以在集成階段進(jìn)行測試。
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參考文獻(xiàn)
[1] Muresan M, Pitica D. Software in the loop environment reliability for testing embedded code[C]//2012 IEEE 18th international symposium for design and technology in electronic packaging (SIITME). IEEE, 2012: 325-328.
[2] Muresan M, Pitica D. Software in the loop environment reliability for testing embedded code[C]//2012 IEEE 18th international symposium for design and technology in electronic packaging (SIITME). IEEE, 2012: 325-328.
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-858981.html
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