HIL第2讲：零基础教程，HIL来源和实时系统

第二讲，本节简要介绍HIL的历史，并介绍什么是实时系统，阅读本节之后，读者应学会自行分析自己的测试对象，看看需要不需要实时系统，以及，需要什么样的实时系统，还可以对自己的测试对象的实时性，做一些简单的评估。

上一节我们总体上聊了本系列文章的目的，从本讲开始，我们进入正题。本节，我们聊聊HIL系统的起源，以及什么是实时系统。

HIL系统很厉害，但是它是怎么诞生的呢？

我们假设该偏文章的读者都具有单片机的概念（汽车上的控制器就是一个加强型的单片机），那么回想一下，大学时候，我们是怎么在硬件层次上测试单片机呢？

一般都是，从淘宝上买个开发板或者自己做一个开发板，把代码烧进去之后，把单片机外设的IO输入用导线印出来，把导线的另一端跟电源或者地点触一下又一下，跟电焊似的，创造数字信号输入，看单片机的反应如何。对于单片机的输出，我们一般是拿个示波器测试PWM波，或者拿个万用表测数字量输出。总之，单片机需要什么，我们就给它创造什么，单片机输出什么，我们就想办法检测什么。

上个世纪80年代之前，全世界范围内还没有新能源车，燃油车上的控制器也很少，没有ABS、ESP、SPB、气囊、ADAS、雨量传感器……，汽车控制器的开发还是很简单的，所以，还是勉强可以按大学单片机的做法来开发的。但也正是上个世纪80年代起，汽车技术蓬勃发展，大量的新技术和电子产品开始引入到汽车中，整车的复杂度大大提升，这在提高了汽车的安全性、舒适性的同时，也大大增加了汽车开发的工作量，开发周期变得更长了。

在这个时候，在汽车起源的地方，锐意进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，并同时发布了两款划时代的产品：快速原型、HIL。附图一张创始人的画像：

这两个产品相互合作，完美解决了当时乃至今天仍然存在的两大难题：1、我做好了软件，但是硬件还需时日，样车快下线了，怎么能找一个控制器，把软件烧进去，装到车上代替我的硬件，先顶一下，别耽误车辆进度；2、我的软件、硬件都做好了，软件也烧进去了，在装车之前，我想先在测试环境中对它进行细致地检查和测试（毕竟在车上很难创造各种逻辑条件，覆盖率较低），最好能让我觉得像是真的在操作一辆车。

dSPACE公司是HIL产品乃至HIL概念的发明者，时至今日仍是这个领域全球最优秀的选手，追随者、模仿者有一大批，比如ETAS、NI，以及其他一众叫不上来名字的小公司。师子一号的此系列文章，只聊HIL，快速原型不谈。

当年，dSPACE的HIL，主要是针对发动机控制器（Engine Control Unit）ECU的，所以，当下全世界大多数HIL设备，都带有发动机的灵魂，冥想起来，似乎有一股淡淡的汽油味。整车模型、故障注入、实时系统……这些概念全部都是因为当年测试发动机而搞出来的，针对发动机控制器ECU盾测试，这些东西基本上都是是必须的。

先说第一个，什么是HIL领域的实时系统？师子一号对它的定义为：操作系统控制板卡输出或者输入信号，最大时延是可控的，这就是实时系统。它和“运行速度快”不是一个概念，强调的是可靠性可控性。我们打个比方，公司八点半上班，有两位员工，都挺勤快，甲每天大概都是8点20到，乙在多数情况下，都是8点10分之前到。但是，甲从来没有迟到过，最迟也是8点29，而且，我们分析甲的起床时间，通勤方式……也确实相信他以后也不大可能会迟到；而乙，就不是了，他在多数情况下都能早早到公司，但他偶尔会迟到，甚至，下大雪了时候，还可能会临时请假甚至旷工。

在这个例子中，8点30，就是最大时延，也是判断在该场景下是不是实时系统的标准，实时系统是相对某一标准而言的，一个系统在汽车行业是实时的，到了航天领域可能就不是实时的了。很明显，甲员工就是实时系统，而乙不是。

实时系统主要有linux－RT、Vxworks等类型。

那，为什么发动机ECU测试需要实时系统呢？答案在于ECU处理的信号很特殊，氧传感器、爆震传感器、曲轴凸轮轴位置传感器；点火控制……这些都是以一定频率变化的，假如，我们想通过板卡的pin，输出给ECU的某一输入pin下图所示的信号（横轴代表时间，数轴代表电压），当然，这是理想信号。

如果我们采用实时系统，那，我们虽然不能保证信号的实际时序曲线和图中完全一样，但能保证是在它可控的附近，从而满足ECU对该信号的时间延迟的定义及要求，确保ECU不报故障（这些故障是ECU实现定义好的、ECU软件已经实现了）；如果我们采用非实时的单核系统，则有可能当我们在这个系统上同时进行别的操作时，比如用matlab进行仿真分析，导致进程拥塞，上图某个点的信号出现较大时间后延，超出了ECU的时延，从而导致ECU报了故障。

而且，请读者注意一点，上图这个周期为6．28秒，一周期变化20次的信号，靠人工操作是不可能实现的，必须通过软件，而且是运行在实时系统上的软件。这个所谓的软件，就是“整车模型”的一部分。下一讲师子一号将会详细说说什么是整车模型。

上面这个例子，清晰展示了所谓实时系统的作用。当年dSPACE公司大力推行实时系统，是因为没它不行，而且多核处理器还没有出生。所以，HIL系统就成了那副样子，两个主机，一个主机装上实时系统，成了一个大号的单片机，然后用它作为标准，去给另一个增强型的迷你单片机提供输入输出信号；另一个主机是一个普通PC，做一些文档编辑、测试用例设计操作的工作，两个主机之间一般通过网线通讯。

可是，时代是会变化的，CPU、操作系统的技术也是不断升级的，现在的多核CPU，已经完全可以通过软件对普通windows系统进行实时化，不再需要两台独立主机了。而且，并不是所有的控制器都像ECU那样，有这种高时间特性的信号，需要实时系统来测试。比如VCU、HCU、BMS、BCM、FCU、网关……普通的单机win7系统完全绰绰有余。

我们需要实时系统，是因为，如果信号延迟了，被测对象要报错，基本无法再正常工作。而这样的“报错”，对被测对象而言，是一个正常且必须的功能。所以，看看被测对象是否有这样的“时延检测”功能，是我们判断是否需要实时系统的最重要的依据。

经综合考虑，本系列文章主要讲单主机普通PC、WIN7系统的HIL，和双主机的HIL。普通win7系统的实时化技术，可以成本极低的实时系统，但在汽车行业比较小众，不做介绍，读者可自行研究。

可是，为什么“两台主机”这种架构的HIL系统，仍然是HIL供应商力推的呢？哪怕你测个BCM，也给你推销这种架构。因为，看起来很庞大，可以扩大消费，提高GDP…

审核编辑 黄昊宇