虹科案例：自动化故障插入测试-分动箱

虹科产品支持ECU测试自动化故障插入过程，帮助汽车制造商在更短的时间内运行更多的测试用例。如今，测试发动机控制单元 (ECU)，尤其是与安全相关的模型，与软件测试和硬件测试同样重要——这是因为 ECU 需要更多的智能来控制制动、防止翻车并确保将电源应用于在折衷的驾驶模式下使用正确的车轮。Magna Powertrain、Delphi和 Continental等汽车制造商对其产品的安全运行测试也有同样的担忧。

在本文中，我们将重点介绍汽车分动箱。分动箱是一种机械/电子设备，可监控车轮打滑情况并确保向未打滑的车轮供电。

作为设计过程的一部分，制造商运行一系列测试，以确保控制其分动箱的软件以可预测和安全的方式对系统故障（例如开路、短路和交叉/串联电阻连接）做出反应。最终，这会提高客户满意度并降低保修成本。在一个例子中，制造商开发了一种测试夹具，允许他们手动注入故障。虽然这个装置很有效，但必须手动切换故障非常耗时——这限制了它们可以在特定单元上运行的测试用例的数量。此外，手动夹具通常需要更频繁的维护，从而进一步减慢测试时间。最后，它也容易出现操作员错误，这会影响测试结果。所以虹科推出了许多产品解决方案。这些产品包括用于硬件在环 (HIL) 仿真应用和可编程电阻器的故障插入单元 (FIU) 开关解决方案。FIU 开关模块可用于将电气故障引入系统，该系统通常会复制由于腐蚀、短路/开路和其他电气故障而可能发生的各种情况，这些情况会随着年龄、损坏甚至安装错误而发生。使用虹科故障插入模块来自动化故障注入过程，它们可以在更短的时间内运行更多的测试用例，结果是他们的测试更具可重复性、全面性，它们可以在开发周期的早期发现和修复问题。 查找故障分动箱用于将动力从车辆变速器分配到前轴和后轴。一个例子是双速主动分动箱或 ATC。ATC 功能包括多片湿式离合器、机电换档驱动和链条驱动前输出。该系统保证了前后轮之间的动态扭矩分配，并且可以进行调整，以在各种地形和恶劣天气下提供所需的车辆性能特性。作为 TCCM（分动箱控制机构）的一部分，分动箱电子控制单元 (ECU) 控制分动箱的操作。它连接到分动箱中的传感器和执行器，以及与车辆控制器局域网 (CAN) 的接口。当驾驶员换档时，分动箱 ECU 接收命令，然后确定它是否可以执行此换档。成功执行换档后，分动箱 ECU 将此报告给网络。在操作中，可能会发生许多不同的故障。例如，考虑将分动箱中的执行器和传感器连接到控制模块的八芯电缆。这些连接可能会开路或与相邻导体短路，此外，随着汽车老化，高电阻连接和高电阻短路可能会发展，这些可能导致分动箱在现场出现故障。为确保分动箱在故障条件下安全运行，分动箱制造商在他们的控制实验室中模拟这些故障。硬件在环测试已成为一种非常流行的测试电子控制单元的方法，例如当今汽车中使用的分动箱 ECU。HIL 模拟器可以提供车辆的所有输入和输出，而无需实际构建原型车辆。它为 ECU 制造商节省了大量资金，不仅因为他们不必制造原型车，还因为他们可以在实验室而不是在测试轨道或测功机上进行详尽的测试。他们甚至可以测试分动箱 ECU，而无需实际了解分动箱的机械结构。在此模式下，HIL 测试系统除了模拟车辆的其余部分外，还模拟分动箱。为了测试分动箱 ECU 软件，设计人员开发了许多不同的操作场景。这些包括车辆启动、关闭和驾驶场景，旨在让分动箱控制模块完成其步伐。例如，在一种情况下，分动箱被命令到其所需位置。其他场景运用各种其他产品特性（各种换档场景、冷启动曲线、电压曲线等）。当有问题的制造商首次开始进行此类测试时，他们构建了一个测试夹具，如下图所示，称为分线盒，用于手动插入故障。接线盒插入分动箱与其控制模块之间，技术人员将手动切换故障进出。如前所述，这限制了它们在任何给定时间范围内可以运行的测试用例的数量，需要更频繁的维护，更慢的测试时间，并且还容易出现操作员错误，这可能会影响测试结果。虽然这种方法是一种有效的入门方法，但很明显还有很大的改进空间。 可以说，手动插入故障最大的问题是运行一系列测试需要很长时间。使用分线盒，运行一个测试用例最多需要8分钟。由于他们运行了数千个测试用例，从一开始就很明显他们必须找到一种方法来减少测试时间。以这种方式手动插入故障的另一个缺点是它们只能插入短路和开路。为了更彻底地测试分动箱 ECU，他们还需要能够插入电阻故障以及硬开路和短路。以这种方式手动插入故障的第三个问题是接线盒是硬接线的，因此不是很灵活。为了测试不同的分动箱ECU或不同的产品配置，测试工程部门必须建造一个新的分线盒或重新连接现有的分线盒。这样做既费钱又费时。在评估了多家供应商的开关系统后，该客户认为虹科代理的Pickering Interfaces 产品是一个很有前途的解决方案。他们购买了一个装有多个 PXI 总线模块（我们的 PXI 30A 故障插入开关模块,（型号 40-191），如图二所示）的 19 插槽 PXI 机箱，以模拟短路和开路。该模块为高电流故障插入提供了强大的解决方案。它使用固态开关元件，能够在单通道上承载 40A 或在所有通道上同时承载 30A。它旨在在测试夹具和被测设备之间插入三种不同的故障条件，包括开路、UUT 连接之间的短路以及对外部信号的短路。每个通道上的固态继电器使测试系统能够将 UUT 的信号设置为开路。故障插入总线允许将任何通道与任何其他通道短路，还可以将任何通道连接到外部信号（例如电源、点火或接地）以模拟故障条件。该模块配有两条故障总线。由于故障并不总是完全开路或硬短路，我们的可编程电阻器模块（型号 40-295），如图三所示，用于模拟高阻故障。该模块提供多达 18 个 8 位分辨率的完全隔离可变电阻器或 10 个 16 位分辨率的完全隔离可变电阻器。每个通道的电阻可以设置在 0 欧姆和 16 MΩ 之间。

图二：PXI30A故障插入开关模块，型号40-191

图三：PXI可编程电阻器模块，型号40-295图四显示了切换系统如何连接 HIL 模拟器、被测试的分动箱 ECU 和分动箱（如果实际分动箱需要作为测试的一部分）。 切换系统用于注入所有潜在故障。例如，要注入开关故障，他们只需打开线路。为了短接两条线路，他们将两条线路中的每一条连接到故障插入模块，并将两个信号连接到模块的故障总线之一。为了模拟对电源或接地的短路，他们将信号线连接到故障总线之一，然后将该总线连接到接地或外部电压。为了将电阻故障注入分动箱和分动箱 ECU 之间运行的信号线之一，控制计算机将命令开关系统接通 40-295 可编程电阻器模块上的可变电阻器之一。接下来，他们以谨慎的步骤改变电阻：0Ω、5Ω、10Ω、20Ω、50Ω、100Ω、200Ω、500Ω、1,000Ω，依此类推，直到达到 1 MΩ，或者直到线路的反应就像开路一样。一旦插入故障，他们就会运行一个或多个驾驶场景并收集测试数据。他们收集的最重要的数据之一是系统正在绘制的电流。异常高的电流肯定是出现问题的迹象。不过，他们也会查看许多其他参数。这些包括由分动箱 ECU 和整个系统行为产生的 CAN 信号和电信号。通过自动化故障插入，运行单个测试用例所需的时间从平均 8 分钟减少到大约 4 分钟——当您考虑到典型的测试运行可能包括 20,000 个测试用例并且需要更多时间时，这是一个巨大的节省一个多月才能完全运行。它还允许制造商减少运行完整测试所需的时间。通过手动插入，技术人员或测试工程师必须在场才能切换故障进出。然而，现在只有在进行有风险的测试时才需要工作人员在场，因为大多数测试都是在不需要监督的情况下进行的。有趣的是，节省的时间不一定用于缩短测试运行时间，而是用于在相同的时间内运行更多的测试用例，例如包含电阻故障的测试用例。使用测试时间来提高测试有效性表明公司对软件质量和可靠性的重视。

分析测试结果可以想象，这些测试会生成大量的测试数据，分析这些数据是一项艰巨的任务。他们首先要寻找的是测试是否对 UUT 造成了任何损坏。没有故障会损坏分动箱 ECU 的分动箱，因此任何表明该单元已损坏的迹象都会发出危险信号。如果没有一个测试用例造成任何损坏，他们就会开始分析其余的测试数据。在这一点上特别感兴趣的是 CAN 信号和整体系统行为。他们正在寻找的是能够表明分动箱中电机意外移动的数据。他们还可能会检查分动箱 ECU 是否生成了适当的诊断代码。分析测试数据是一项团队工作——团队不仅包括测试工程师，还包括设计分动箱的机械工程师、电子工程师和软件开发人员。通过团队合作，他们不仅能够快速找到关注的领域，而且能够更快地完成修复。

未来是自动化的虽然客户的工程团队对虹科产品的开关系统使他们能够自动化测试的方式非常满意，但他们意识到这仅仅是个开始。例如，他们没有为每个分动箱构建单独的测试装置，而是为他们的分动箱开发“通用”测试系统。使用计算机控制的切换系统，他们觉得他们可以做到这一点。制造商必须跨越的另一个障碍是弄清楚如何减少分析测试数据所需的时间。自动故障插入使他们能够运行更多的测试，但也增加了他们必须花在分析测试数据上的时间。在这种情况下，正在努力自动分析测试数据。开发一种能够自动标记可能表明存在问题的测试数据的工具将为他们节省大量时间。在我们客户的案例中，他们的工程师认为他们可以通过识别真正测试相同事物的测试用例并将它们从测试程序中删除来做到这一点。还应该注意的是，在产品测试策略中经常使用在 NPI 中开发的测试用例的一个子集。与 NPI 测量相比，这种策略提供了一致的测试结果，并加快了生产测试的开发。虹科产品帮助 Engineering 引入“智能自动化”，以在动态车辆条件下测试其他故障模式（串联电阻故障、交叉短路和交叉电阻短路），从而提高产品质量。