馬自達使用軟件定義的自動化測試系統，推進汽車的電氣化，并且降低了90％的測試成本

"利用NI測試平臺和生態系統，我們不僅成功開發了HILS，而且還成功開發了機器人、圖像處理系統、語音合成系統、噪聲模擬器和GPS模擬器，進而搭建了一個集成的電子組件自動化測試系統。 手動操作和結果判斷相關的工時減少了90％，每年節省了數億美元的成本。"

挑戰
構建一個自動化系統，從頭到尾全面檢驗邏輯并評估相互協作的電子元件的魯棒性，包括相關操作和結果判斷。

解決方案:
基于NI平臺使用PXI產品、可重新配置的I/O模塊（FPGA）和LabVIEW構建HILS系統，并集成噪聲模擬器、GPS模擬器和語音合成系統等其他元件來評估魯棒性，同時集成機器人和圖像處理系統來實現任務自動化。

馬自達使用軟件定義的自動化測試系統，降低了90％的測試成本

背景介紹

眾所周知，汽車正在快速融入越來越多的電子產品。 從自動雨刮器和門鎖開始，電子產品已經成為許多汽車組件的一部分，包括照明、空調、動力總成、信息娛樂系統，甚至各種安全系統。 一開始，汽車僅配備了幾個CPU。 而現在，汽車中的CPU數量已近百。

為了向客戶提供高品質的產品，馬自達電子測試和研究團隊需要評估所有電子元件的“邏輯”和“魯棒性”。 '邏輯'是指每個電子組件的功能。 而要理解“魯棒性”這一概念，首先需要認識到電子元件的工作環境并不總是處于理想狀態。 例如，元件可能會暴露于極端的條件下，如電源電壓發生波動、噪聲級別較高或輸入信號不理想。 “魯棒性”是指組件在極端環境中正常工作的能力。 換句話說，我們希望評估每個電子元件對這些惡劣條件的承受力。

挑戰

電子元件的邏輯和魯棒性一直都在評估的范疇內。 過去，僅有幾種電子元件執行簡單的功能時，元件在專門準備的環境中單獨進行測試。 然而，隨著電子元件的多樣性和功能復雜性不斷增加，這種操作漸漸露出弊端。 現在，多個電子元件系統之間會進行通信，并且一個系統的操作越來越依賴于來自其他系統的結果。 除了逐個系統進行測試外，還必須進行多系統測試才能有效地評估此類系統的功能。 此外，還必須評估系統的魯棒性。 然而，隨著各種組件和單元的不斷增加，要評估的項目數量呈指數增長。 因此，我們很清楚評估系統需要實現自動化。

十年來，馬自達一直意識到這些需求， 但是卻找不到滿足所有需求的評估系統。 鑒于這種情況，我們決定正面解決這個問題。 換而言之，我們決定開發一個自動化系統來從頭到尾徹底驗證邏輯并評估相互協作的電子元件的魯棒性。

解決方案/優勢

我們需要開發的系統將會非常龐大且復雜。 因此，開發工作預計需要幾年時間并分階段完成。 圖1是第一階段的示意圖。 Stage-1系統由以下元素組成：HILS（硬件在環仿真）引擎、機器人和圖像處理系統。 對于HILS引擎，NI HILS系統由NI PXI（面向儀器系統的PCI擴展）產品和RIO（可重配置的I/O）模塊組成。 我們基于LabVIEW系統設計平臺，開發了在這些硬件產品上運行的軟件。 

圖1.第一階段的示意圖

將HILS納入此系統的原因如下。 首先是馬自達一直朝著“全球首創”的目標努力。 比如，馬自達致力于推進基于模型的解決方案的開發和實際應用，以保持領先優勢。 鑒于這種創新文化，在可能的情況下，我們當然希望利用模型來評估電子元器件。 但是，我們知道有些組件根本無法建模。 雖然對于不適合建模的零件，我們可以采用其他系統，但最終我們決定擴展HILS系統的功能。 由于NI PXI平臺適用于構建各種測試系統，因此我們可以在一個系統上同時構建HILS部分和擴展部分。

有些組件無法建模，而人機界面的開發也非常具有挑戰性。 對于無法建模的組件，我們舉個最簡單的例子——速度計。 想象一下速度表顯示車速值為“50公里/小時”。 在這種情況下，控制器將顯示“50公里/小時”的命令作為電信號發出。 這種信號可以在模擬過程中進行評估，也可以在實際車輛上進行確認。 只要系統運行正常，基于接收到的信號，速度計會顯示'50 km/h'。 然而，為了檢查實際是否顯示'50km/h'，需要駕駛員目視確認結果。 換句話說，駕駛員對汽車信息的感知過程無法轉換為模型。 類似地，駕駛員為了向汽車傳遞信息而執行的操作也是無法建模的。 例如，駕駛員可以按下按鈕來打開/關閉空調，或點擊觸摸面板來操作導航系統。 但是我們根本不可能建立一個模型來準確地復制這些操作所帶來的細微狀態變化。

雖然驗證無法建模的系統極具挑戰性，但秉承馬自達一貫的宗旨“Be a driver”，我們決定花費額外的精力為這些具有挑戰性的領域開發測試工程策略和方法。 如上所述，為駕駛員與汽車之間的交互建模非常困難。 但是簡單來說，如果駕駛員要將信息傳達給車輛（電子部件），就需要操縱按鈕或其他類型的儀表。 而這種操作需要通過手來實現。 事實上，手動執行這些測試是可行的。 但是，手動測試需要大量的時間和人力。 因此，我們制定的自動化評估機制就非常關鍵。 為了滿足這個需求，我們開發了一個機器人來操作電子元件。 機器人通過電腦進行控制，代替人工按下按鈕，輕觸觸摸面板。 同樣，我們也需要考慮如何將信息從汽車（電子組件）傳達給駕駛員。 回到車速表的例子，傳統的測試過程由工程師目測檢查，確定實際是否顯示'50公里/小時'。 為了使這部分評估自動化，我們增加了一個圖像處理系統。 具體來說，這一自動化過程是指使用攝像頭拍攝速度計的顯示器，然后提供處理獲得的圖像來確定結果是否正確。 例如，如果使用七段LED顯示屏顯示速度，攝像頭將拍攝LED顯示屏并處理獲取的圖像以識別數字并確認顯示的速度。 或者，如果使用指針顯示器來顯示速度，則圖像處理會測量指針的角度，并使用該值來計算以小時/公里為單位的速度。 通過監測和比較來自控制單元和顯示器的信號，系統可以確定速度是否正確顯示。

在該系統中，我們也可以借助軟件使用虛擬系統（虛擬電子部件）來替代每個電子部件。 之前我們只能在所有電子元件完成后才能開始評估，這是一個很大的限制。 我們希望盡快開始測試并獲得結果，因此我們會盡可能使用虛擬電子組件替代實際組件。 這些虛擬組件不僅能夠像真實組件那樣工作，而且外觀和感覺上也非常相似。 這種利用虛擬組件的能力實現了靈活的測試。 視測試內容而定，僅在必要時才使用實際零件;否則，可以使用虛擬組件替代 。

上述內容描述的都是自動化測試系統的邏輯驗證組件。 此外 ，我們需要增加更多功能來評估魯棒性。 馬自達非常重視驗證魯棒性;我們并不止于簡單地確定邏輯是否正確。 在馬自達，魯棒性的評估首先需要確定在邏輯正常運行情況下組件接近其極限的條件，然后確定余裕量。 產品是否合格的余裕量根據內部獨立標準確定。 這一評估過程使公司能夠提供出色的用戶體驗，同時也為馬自達及其供應商的設計部門提供精確的反饋。

在所有用于測試魯棒性的條件中，最具代表性的條件是電源電壓波動和高噪聲環境。 例如，我們可以改變電源電壓來確定所評估的電子部件發生故障的臨界點。 為了評估高噪聲條件下的魯棒性，第二階段的系統增加了一個噪聲模擬器（見圖1）。

然而，不利條件下的邏輯性能并不是魯棒性評估的唯一指標。 例如，車輛功能包括使用語音命令來操作車輛。 這也是在魯棒性評估的范疇內。 為了實現這一點，系統中增加了語音合成系統。 該系統兼容日文和英文兩種語言，并且會以各種不同的聲音發出聲音命令，包括男性或女性、年輕人或老年人，因為不同聲音具有不同的強度，發音清晰程度也不同。 我們需要評估系統的魯棒性，以確定在不同的條件下指令能夠被正確識別的程度。

第三階段增加了GPS模擬器。 這個GPS模擬器主要用于生成日本境內不同位置的GPS坐標的模擬無線電信號。 這使我們無需實際前往各個地點就能夠進行模擬評估。 我們希望在不斷改變GPS模擬器的無線電波強度的情況下評估系統正確運行的能力。 換句話說，這是另一個要評估的魯棒性要素。 請注意，對于第三階段，操作機器人已升級為能夠一次性觸摸或輕敲多個位置。

在第四階段，我們對GPS模擬器進行了升級，可進行全球定位。 另外，語音合成系統增加了西班牙語支持。 此外，我們增加了一個藍牙信號分析儀和一個用于檢測安全漏洞的模糊測試工具（參見圖2）。 但是，具有上述所有功能的系統需要占用相當大的空間面積。 為了使測試更加方便，我們將系統分成幾個小型系統，每個系統都包含原始系統的特定功能（見圖3和4）。

圖2.第四階段的示意圖

圖3.小型子系統1的外觀圖

圖4.小型子系統2的外觀圖

通過這種方式，我們成功構建了世界上第一個能夠自動評估多個協同工作的電子組件的邏輯和魯棒性的系統。 如前所述，我們開發的系統是前所未有的，并且基于全新的概念。 此外，這是一個非常復雜的大型系統。這一成功歸功于幾個因素。 這一成功歸功于幾個因素。

首先是馬自達電子測試和研究小組的存在。 換句話說，馬自達擁有自己的專業內部測試工程團隊，這一點至關重要。 這一成功歸功于幾個因素。隨著電子元器件評估技術開始達到瓶頸，測試工程師需要思考如何改進技術。 面對這樣一個復雜的問題，如果大部分測試相關問題都交給外包商，那么什么都不可能解決。 這個高度專業化的內部團隊的存在意味著他們可以充分探索可能的解決方案和相應的實現方法。 換句話說，馬自達自己的內部團隊在解決這些問題方面發揮主導作用這一點非常重要。

另一個影響因素是NI產品系列。 NI的優勢之一是NI以平臺為中心的生態系統，其中包括來自聯盟伙伴和相關公司的兼容產品。 例如，我們構建的系統包含了機器人、圖像處理系統、語音合成系統以及其他各種元素。 從一家公司獲得所有這些要素是非常困難的。 相反，我們選擇了各公司最合適的產品，并使用LabVIEW和其他解決方案將它們與NI HIL系統集成在一起。 這成為我們成功的關鍵因素，NI生態系統提供了強大的支持。 當然，如果適用的話，我們也可以選擇集成交鑰匙解決方案。 但是，鑒于我們的目標是構建同類中的首個系統，NI解決方案是最符合我們需求的選擇。

此外，NI產品提供的高性能和高編程自由度非常適合開發此系統。 在硬件性能方面，高采樣速率（時間分辨率）是一個重要因素。 在我們的系統中，邏輯驗證需要毫秒級的時間分辨率。 另一方面，噪聲的影響很難進行評估，除非采樣以微秒級進行。 NI硬件是唯一能夠以微秒級進行采樣的產品。 另外，NI硬件包含一個內置的用戶可編程FPGA。 沒有其他產品提供這種自由度。 如果采用交鑰匙式解決方案，用戶很可能需要為每次的汽車更新換代輛購買全新的系統。 而NI解決方案不僅具有靈活性，而且還具有可持續性。 幾乎所有的NI硬件都可以持續使用，只需添加或修改選定的模塊即可。 適應未來需求的能力是這個系統的另一個巨大優勢。

我們新開發的系統能夠對多種協同工作的電子元件進行邏輯驗證和魯棒性評估。 事實上，以前沒有這樣的系統能夠幫助我們獲得如此巨大的成功。 另外，我們能夠自動化各種測試的相關操作和結果判斷。 這極大地減少了工作量，給我們帶來了巨大的優勢。 對于單個電子元件的情況，與手動測試相比，測試時間減少了90％。 此外，我們使用攝像頭拍攝儀表顯示器（如速度計），然后使用系統的自動評估功能來處理圖像，這一做法與以前的方法相比，所需的工時減少了90％。

未來開發計劃

這一新開發的系統將繼續逐步完善。 目前，我們的目標是使用這個NI產品系統評估所有電子元件。 因此，電子測試和研究小組目前的工作重點評估所有電子組件，包括與動力系統相關的組件。 在這個新開發的系統之前，我們使用交鑰匙HIL系統來評估動力總成的相關部件。 因此這些組件被排除在該系統的目標項目之外。

無論是發動機還是電子元件，馬自達都將繼續朝“世界首創”的目標努力。 而且，隨著汽車零部件的創新也要求測試進行創新，馬自達也將持續完善其評估流程。