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硬體迴路 (Hardware-in-the-loop;HIL) 測試是一種由工程師用來測試與驗證嵌入式系統軟體的技術。HIL 的運作方式是將執行軟體的控制單元,以電子方式連接到嵌入式系統所控制的感應器與致動器的精確模擬上。
模擬系統可以包含虛擬模型與實體模型,模擬實際運作中的系統。工程師使用 HIL 測試系統,先在受控環境中即時測試其軟體的功能,再將解決方案部署至實際車輛、機械、裝置或系統。隨著所使用的產品與軟體日益複雜,並涉及安全關鍵應用程式,HIL 測試的重要性也與日俱增。
硬體迴路模擬系統的關鍵元件包括控制裝置、模擬試驗場,或模擬硬體 (有時稱為數位孿生) 的一部分。當這些元件組合在一起時,即可構成一套封閉迴路且即時模擬的控制系統。
測試中的軟體是測試設定中控制單元部分的主要元件。它包含實際載入至硬體的程式碼,且屬於控制裝置的軟體部分。
電子控制單元是負責執行軟體,並提供輸入和輸出 (I/O) 給其所控制的試驗場。HIL 測試的主要優勢在於部署時,會檢查在實體電子硬體上執行的軟體。
在最終產品中,控制單元會直接連接至感測器與裝置。在 HIL 測試環境中,像是 國家儀器(National Instruments) 或 dSPACE 提供的專用 HIL 裝置與軟體,會將模擬實際試驗場的元件連接至 ECU。這套系統也被稱為 HIL 測試系統,提供測試管理、I/O 設定與自動化工具。此系統可以是一個單元,也可以由多個單元組成。
測試人員會使用其無法存取之某些子系統的數學表徵,或那些無法像實際硬體一樣快速或輕鬆模擬的系統。每個虛擬元件皆可接收命令與資料輸入,並產生與實際系統相同的數位或類比電輸出。這些虛擬模擬可以簡單如一項方程式,也可以複雜如安裝在軌道衛星上的天線系統的多重物理量模擬一樣。
許多系統測試設定會使用實體硬體,可能是最終生產成品、原型,或子系統的實體表示。然而,模擬系統也可能同時包含連接至虛擬元件的實體元件。這種情況在感應器以虛擬版本出現在硬體迴路中時尤其常見。
許多複雜的控制系統,尤其是安全關鍵系統,都會採用與 HIL 相似的技術,也就是稱為軟體迴路 (Software-in-the-Loop;SIL) 的測試。在 HIL 中,I/O 使用的是實體硬體;而在 SIL 系統中,則以軟體工具模擬 ECU 微處理器或現場可程式化閘道陣列 (FPGA) 的行為,以及用於 I/O 的電氣連接網路來設定。
SIL 通常在產品開發流程的早期階段,且實體 ECU 尚未就緒前進行。軟體開發團隊會先利用 SIL 驗證演算法、邏輯與整體軟體行為,再與實際硬體整合。SIL 可在不需要實體硬體或實體空間的情況下,實現低成本測試。
即使團隊已執行完整的 SIL 測試,仍必須進行 HIL 測試,因為軟體仍需在 ECU 上驗證,並結合真實世界的訊號,包括延遲與雜訊等因素。許多涉及 ECU 行為的使用案例,是軟體無法模擬的。HIL 測試可確保硬體與軟體協同運作,進行安全測試,並符合航太、醫療與汽車應用中常見的產業標準。
硬體迴路測試在時程、成本、安全性與效能方面皆具備顯著優勢。在某些產業中,這甚至是取得認證的必要條件。這些優勢的影響取決於所使用的模擬準確度、以硬體或軟體建構模擬的成本、是否能自動化耗時步驟,以及測試計畫的完整性與效率。
HIL 模擬的幾項主要優勢包括:
HIL 能從多個面向改善產品開發時程。最顯著的優勢是 HIL 測試速度快上許多,可讓多組測試平台併行運作,實現全天候測試。另一項縮短開發時間的方式,則是在開發流程初期就導入 HIL 測試。團隊能夠及早發現問題,對生產時程的影響也較輕微。HIL 所帶來的自動化機會,也能進一步縮短測試所需時間。最關鍵的是,HIL 能大幅縮短產品上市的時間。
由於完整的實體原型通常數量有限,因此能同時進行的測試也很少。透過 HIL 測試,工程師能同時進行更多測試,大幅縮短開發週期。
HIL 對產品開發時程的正面影響,同時也有助於節省成本。此外,這種測試技術具備高度可擴展性,讓多項測試變得更具成本效益。再者,HIL 還能避免或降低為最終試驗場設計製作實體硬體與軟體的成本。多種測試情境的自動化處理,也能減少人力成本與試驗室的佔用時間,或硬體設定的使用時間。
當工程師能以一致且可重現的方式測試其構想時,開發穩健的控制演算法就會更為容易。現實世界中無法控制及難以預測的測試環境,可能引入過多的變異性。
在整個開發計畫中,沒有什麼比未通過最終認證或效能測試更昂貴且嚴重影響生產時程的事。若測試流程中同時包含 SIL 與 HIL 測試,多數故障模式都能在早期階段被發現並修正。
許多由嵌入式系統軟體所控制的系統都需要進行安全性驗證測試,但有許多系統無法在安全的環境下進行測試。例如,測試先進駕駛輔助系統 (ADAS) 需要將車輛置於危險情境中,以檢查 ADAS 的反應。這不僅成本高昂,也對駕駛者構成風險,甚至可能損壞車輛。透過 HIL 測試結合虛擬元件與測試自動化,可消除測試人員面臨的風險,同時驗證系統的安全性並降低成本。
凡是使用嵌入式系統軟體來控制裝置的產品,都能在控制器設計流程中受益於 HIL 測試。然而,有些產業所獲得的效益會更顯著,因為上述優勢對其生產流程來說更加關鍵。以下是廣泛應用硬體迴路測試的六大產業:
汽車產業是最廣泛採用 HIL 的領域之一,尤其是隨著軟體定義車輛 (SDV) 設計趨勢日益增長。實體車輛測試所帶來的成本與安全風險,再加上提供原型前所需的漫長前置時間,使得 HIL 成為機動車輛設計中的重要一環。
例如,HIL 可用來測試 ADAS 系統中所使用的攝影機。Ansys AVxcelerate Sensors 軟體與 NI 的 RDMA 可產生虛擬車輛攝影機的原始訊號,將其轉換為攝影機內嵌處理單元可接收的訊號,然後再將該子系統的輸出饋送至 ECU。
在開發航太應用的控制系統時,三大主要挑戰分別是:嚴格的規格遵循、製作硬體的高昂成本,以及在實際場域中測試航太模組的困難度與費用。這些挑戰使得 HIL 成為首選的測試方式,且經常用於認證階段。航太領域引入自動化系統,更加凸顯 HIL 測試的必要性。
為電力系統或機械推進產生能量的發電廠,從嵌入式系統控制器的應用中大幅受益。在這類應用中,電子控制單元 (ECU) 會使用感應器偵測操作狀況並傳送命令,以最佳化效率、可靠性與發電效能。這可能像是能源生產用的電力電子裝置那樣簡單,也可能如天然氣發電廠中的污染監測與減排系統那樣複雜。
越來越多工業機械製造商與使用工業設備,包括機器人的工廠,在建立新產線之前,會運用 HIL 模擬來最佳化機械效率或製造流程。
智慧裝置的使用日益增加,加上嚴格的安全性認證要求,以及醫療產業的真實測試挑戰,使開發團隊也越來越常採用 HIL 測試。透過在設計初期及驗證階段使用 HIL,可於安全性敏感系統中導入嵌入式軟體,例如心律調節器或胰島素輸送裝置。
當 HIL 測試應用於電池管理系統 (BMS) 時,可加速電池在汽車、航太及發電等應用中的開發進程。在 HIL 環境中對 BMS 進行封閉迴路驗證,可確保所有安全與效能功能皆能運作無誤。透過電腦輔助工程 (CAE) 模擬所開發的電池系統層級建模,可整合至 HIL 系統中,以呈現實體電池。該模型也可連接至實體電池系統,以驗證 BMS 在各種條件下的效能表現,例如過電壓、過電流、過溫警示、電池平衡、短路反應,以及其他 BMS 所設計要管理的關鍵事件。
數值模擬,特別是 Ansys 多重物理量軟體中所提供的模擬工具,在大多數 HIL 模擬應用中扮演著重要角色。當單純的方程式或經驗資料查詢無法提供所需的傳真度或範圍,或是實體模擬不具可行性或成本效益時,數值模擬即可提供解決方案。
數值模擬的優勢在於其極高的準確度。此外,工程師可能已具備硬體的模型,而團隊也能掌握系統模組的控制系統影響。
以下是於 HIL 研究中運用虛擬元件的幾種方式:
在開發 ADAS/AV 解決方案時,模擬各種駕駛情境中的車輛,並搭配能準確模擬實體感應器的輸入,是 HIL 測試的關鍵所在。因此,汽車產業中的工程師普遍使用 Ansys AVxcelerate 解決方案等完整的數位建模工具套件,來模擬嵌入式系統軟體的輸入。
其中兩個極佳範例為用於模擬攝影機與光學雷達輸入的 Ansys AVxcelerate Sensors 軟體,以及能為工程師呈現大燈變化實際在駕駛、其他車輛與行人眼中所見的 Ansys AVxcelerate Headlamp 軟體。
無論數值模擬模型如何從輸入資料產生結果,這些結果都必須傳遞至 HIL 系統中。一個簡單的方式是透過 Python 語言使用 PyAnsys 等指令碼功能,來連接各個軟體。模型導向系統工程 (MBSE) 工具,如 Ansys ModelCenter 軟體或 Ansys Thermal Desktop (AEDT) 平台,能準確呈現即時的系統層級行為。
在 HIL 模擬中,常見的數位元件還包括能表現元件結構、熱與動態行為的數值求解器。此目的可使用如 Ansys Mechanical 軟體的通用工具,或針對多體動力學所設計的專用解決方案,如 Ansys Motion 軟體。此外,工程師還可使用 Ansys optiSLang 軟體工具產生降階模型 (ROM),並將其插入 MBSE 系統模型中。
電磁感應器與致動器在許多由嵌入式系統軟體驅動的系統中都扮演重要角色,因此像 Ansys Maxwell 軟體與 Ansys HFSS 軟體這類快速且精確的電磁建模工具,經常被整合為試驗場的數位元件。
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