第二講，本節(jié)簡要介紹HIL的歷史，并介紹什么是實時系統(tǒng)，閱讀本節(jié)之后，讀者應(yīng)學(xué)會自行分析自己的測試對象，看看需要不需要實時系統(tǒng)，以及，需要什么樣的實時系統(tǒng)，還可以對自己的測試對象的實時性，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，以及什么是實時系統(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加強(qiáng)型的單片機(jī)），那么回想一下，大學(xué)時候，我們是怎么在硬件層次上測試單片機(jī)呢？

一般都是，從淘寶上買個開發(fā)板或者自己做一個開發(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觸一下又一下，跟電焊似的，創(chuàng)造數(shù)字信號輸入，看單片機(jī)的反應(yīng)如何。對于單片機(jī)的輸出，我們一般是拿個示波器測試PWM波，或者拿個萬用表測數(shù)字量輸出?？傊瑔纹瑱C(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，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。

在這個時候，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，并同時發(fā)布了兩款劃時代的產(chǎn)品：快速原型、HIL。附圖一張創(chuàng)始人的畫像：

這兩個產(chǎn)品相互合作，完美解決了當(dāng)時乃至今天仍然存在的兩大難題：1、我做好了軟件，但是硬件還需時日，樣車快下線了，怎么能找一個控制器，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，時至今日仍是這個領(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、實時系統(tǒng)……這些概念全部都是因為當(dāng)年測試發(fā)動機(jī)而搞出來的，針對發(fā)動機(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，什么是HIL領(lǐng)域的實時系統(tǒng)？師子一號對它的定義為：操作系統(tǒng)控制板卡輸出或者輸入信號，最大時延是可控的，這就是實時系統(tǒng)。它和“運行速度快”不是一個概念，強(qiáng)調(diào)的是可靠性可控性。我們打個比方，公司八點半上班，有兩位員工，都挺勤快，甲每天大概都是8點20到，乙在多數(shù)情況下，都是8點10分之前到。但是，甲從來沒有遲到過，最遲也是8點29，而且，我們分析甲的起床時間，通勤方式……也確實相信他以后也不大可能會遲到；而乙，就不是了，他在多數(shù)情況下都能早早到公司，但他偶爾會遲到，甚至，下大雪了時候，還可能會臨時請假甚至?xí)绻ぁ?/p>

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

實時系統(tǒng)主要有linux－RT、Vxworks等類型。

那，為什么發(fā)動機(jī)ECU測試需要實時系統(tǒng)呢？答案在于ECU處理的信號很特殊，氧傳感器、爆震傳感器、曲軸凸輪軸位置傳感器；點火控制……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（橫軸代表時間，數(shù)軸代表電壓），當(dāng)然，這是理想信號。

如果我們采用實時系統(tǒng)，那，我們雖然不能保證信號的實際時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對該信號的時間延遲的定義及要求，確保ECU不報故障（這些故障是ECU實現(xiàn)定義好的、ECU軟件已經(jīng)實現(xiàn)了）；如果我們采用非實時的單核系統(tǒng)，則有可能當(dāng)我們在這個系統(tǒng)上同時進(jìn)行別的操作時，比如用matlab進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)致進(jìn)程擁塞，上圖某個點的信號出現(xiàn)較大時間后延，超出了ECU的時延，從而導(dǎo)致ECU報了故障。

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

上面這個例子，清晰展示了所謂實時系統(tǒng)的作用。當(dāng)年dSPACE公司大力推行實時系統(tǒng)，是因為沒它不行，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，兩個主機(jī)，一個主機(jī)裝上實時系統(tǒng)，成了一個大號的單片機(jī)，然后用它作為標(biāo)準(zhǔn)，去給另一個增強(qiáng)型的迷你單片機(jī)提供輸入輸出信號；另一個主機(jī)是一個普通PC，做一些文檔編輯、測試用例設(shè)計操作的工作，兩個主機(jī)之間一般通過網(wǎng)線通訊。

可是，時代是會變化的，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)行實時化，不再需要兩臺獨立主機(jī)了。而且，并不是所有的控制器都像ECU那樣，有這種高時間特性的信號，需要實時系統(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。

我們需要實時系統(tǒng)，是因為，如果信號延遲了，被測對象要報錯，基本無法再正常工作。而這樣的“報錯”，對被測對象而言，是一個正常且必須的功能。所以，看看被測對象是否有這樣的“時延檢測”功能，是我們判斷是否需要實時系統(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)的實時化技術(shù)，可以成本極低的實時系統(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BCM，也給你推銷這種架構(gòu)。因為，看起來很龐大，可以擴(kuò)大消費，提高GDP…

審核編輯 黃昊宇