趙林輝，羅 權(quán)，劉志遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，150001 哈爾濱)

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汽車電控單元測試用例生成與集成測試技術(shù)

趙林輝，羅 權(quán)，劉志遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，150001 哈爾濱)

針對汽車電控單元的測試需求，通過引入?yún)?shù)相關(guān)性和組合約束條件，基于IPO (in-parameter-order)策略提出了一種改進的測試用例生成算法；設(shè)計并構(gòu)建了汽車電控單元集成測試系統(tǒng)，并在集成測試系統(tǒng)的架構(gòu)下實現(xiàn)了對汽車電子常用測試設(shè)備的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享；最后，通過兩種不同汽車電控單元的典型測試工況對提出的改進的測試用例自動生成算法進行了實驗驗證.結(jié)果表明，所提出的測試用例生成算法可在滿足覆蓋準(zhǔn)則的前提下有效縮減測試用例數(shù)量，結(jié)合本設(shè)計的集成測試系統(tǒng)，能夠滿足不同汽車電控單元的測試需求，提高測試效率和精度.

汽車；電控單元；測試；測試用例；集成調(diào)用

在汽車電控單元開發(fā)過程中，集成測試是一個獨立的階段.通過測試可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能設(shè)計中存在的問題，是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段[1-4].在汽車電控單元測試中，測試用例、測試方法和測試環(huán)境決定著測試結(jié)果的完備性和測試效率[5-11].文獻[12]探討了空間有效載荷系統(tǒng)集成測試用例的生成問題，提出了一種基于IOOPN模型的測試用例自動生成方法，有效提高了測試效率.但汽車電控單元有其特殊性，輸入信號多是開關(guān)信號，互相之間存在不同的相關(guān)性和約束條件，經(jīng)過邏輯組合實現(xiàn)各種功能，如何利用這一特征有效減少測試用例數(shù)量目前尚無研究.此外，文獻[13]提出了一種基于CANoe的汽車故障診斷測試方法，通過監(jiān)測CAN (control area network)總線報文，并依據(jù)網(wǎng)路協(xié)議對汽車電控單元的故障信息進行分析及處理.文獻[14]基于Labview搭建測試系統(tǒng)，通過電液系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)了對汽車自動變速器油泵的測試，體現(xiàn)了集成測試高效率的優(yōu)點.但由于不同汽車電控單元的測試需求不同，即便同一電控單元的測試往往也要用到不同的設(shè)備和測試策略，而現(xiàn)有測試設(shè)備通常只針對電控單元的部分功能和性能進行測試分析，無法實現(xiàn)不同測試設(shè)備的協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享.

為此，本文將從汽車電控單元測試的實際需求出發(fā)，結(jié)合汽車電控單元測試的特點，提出一種改進的測試用例生成算法，深入探討基于Labview的測試設(shè)備集成調(diào)用技術(shù)和測試方法，構(gòu)建滿足不同電控單元測試需求的集成測試系統(tǒng)，并進行實驗驗證.

1 測試用例生成算法

汽車電控單元的輸入信號多是開關(guān)信號，經(jīng)過邏輯組合實現(xiàn)各種功能.此類系統(tǒng)約70%的設(shè)計缺陷是由單個或兩個參數(shù)作用導(dǎo)致的[15].因此，本文針對汽車電控單元的特點，選取兩兩組合覆蓋準(zhǔn)則.

IPO算法是基于參數(shù)順序的漸進擴展，重點在于測試不同輸入?yún)?shù)取值組合作用下的系統(tǒng)響應(yīng)，具有較優(yōu)的時間復(fù)雜度[16].考慮到作用于汽車電控單元不同功能模塊的輸入?yún)?shù)，在測試用例生成的過程中對這些參數(shù)的組合是沒有意義的.因此，本文針對汽車電控單元的特點，在已有IPO算法的基礎(chǔ)上，通過引入?yún)?shù)相關(guān)性和組合約束條件，滿足覆蓋準(zhǔn)則的同時縮減測試用例數(shù)量，具體算法如下：1)提取輸入?yún)?shù)相關(guān)性和組合約束條件等信息；2)依據(jù)參數(shù)相關(guān)性進行分類和排序；3)根據(jù)兩兩組合覆蓋準(zhǔn)則，對前兩個輸入?yún)?shù)生成測試用例集；4)新增一個輸入?yún)?shù)，水平擴展測試用例集；5)如未滿足覆蓋準(zhǔn)則，則垂直擴展測試用例集，直至包含新增輸入?yún)?shù)的兩兩組合全被覆蓋；6)重復(fù)步驟4)和步驟5)，直到所有輸入?yún)?shù)擴展完畢.

在上述測試用例生成算法中，考慮輸入?yún)?shù)相關(guān)性和組合約束條件的前提下，實現(xiàn)對輸入?yún)?shù)的水平擴展和垂直擴展是算法的關(guān)鍵.

水平擴展不增大測試用例集的規(guī)模，只是在原有測試用例集中增加一列并對其中的參數(shù)進行賦值，因此，其重點在于對新增參數(shù)的合理賦值.

為便于算法描述如下：

1)N個輸入?yún)?shù)分別記為P1,P2,…,PN，每個參數(shù)的取值數(shù)分別記為V1,V2,…,VN；

2)參數(shù)Pm的第n個取值記為Pmn；

3)第m個參數(shù)與相關(guān)參數(shù)構(gòu)成的集合記為TPm；

4)第m個參數(shù)進行擴展時，未能覆蓋到的參數(shù)組合記為UCm；

5)第m個參數(shù)水平或(和)垂直擴展后生成的測試用例集記為TCm；

6)約束條件下參數(shù)組合構(gòu)成的集合記為NC.

對于新增輸入?yún)?shù)Pi，本文提出水平擴展算法描述如下：

1)由Pi和TPi生成UCi；

2)在UCi中刪除與NC重合的測試用例；

3)在TCi-1中確定測試用例數(shù)量的最小值S，要求覆蓋TPi中參數(shù)的兩兩組合；

4)集合TCi-1中前Vi個測試用例的第i列按參數(shù)Pi的取值順序進行賦值，計算新增參數(shù)組合數(shù)，刪除UCi中相應(yīng)組合，并要求新增組合不包含在NC中；

5)以NC中不包含新增參數(shù)組合為前提，從第Vi+1到第S個測試用例計算每個Pi取值所能覆蓋UCi中的參數(shù)組合數(shù)量，在當(dāng)前測試用例行的第i列寫入覆蓋最多參數(shù)組合數(shù)量的Pi參數(shù)值，在UCi中刪除由Pi參數(shù)值的寫入增加的參數(shù)組合；

6)完成參數(shù)Pi對應(yīng)測試用例的水平擴展.

由于上述算法只是在原有測試用例集的基礎(chǔ)上增加參數(shù)，不擴大其規(guī)模，其結(jié)果有可能參數(shù)兩兩組合沒有被完全覆蓋.這就需要通過參數(shù)垂直擴展，新增測試用例來覆蓋剩余的參數(shù)組合.在上述水平擴展基礎(chǔ)上，本文提出如下垂直擴展算法：

1)設(shè)當(dāng)前參數(shù)垂直擴展的最大用例數(shù)R=S+1；

2)如果TCi-1的用例數(shù)量為S，則執(zhí)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟4)；

3)在TCi-1中增加1條所有輸入?yún)?shù)都取值為“*”的測試用例；

4)對于未覆蓋組合(Pmn,Pij)，從第S+1個測試用例開始查詢，如查詢到第m列參數(shù)值為Vn或“*”且第i列參數(shù)值為Vj或“*”的測試用例，則在新賦值參數(shù)組合不包含在NC中的前提下將該用例中第m、i列的參數(shù)分別賦值為Vn和Vj，從UCi中刪除組合(Pmn,Pij)，重復(fù)這一操作直至第R個測試用例，且對于所有未覆蓋的參數(shù)組合均查詢不到滿足條件的測試用例時轉(zhuǎn)入步驟5)；

5)判斷R是否小于集合TCi-1中的測試用例總數(shù)，如是則令R=R+1，并對其中第R個測試用例按照步驟4)的要求進行查詢和處理，直至查詢不到滿足條件的測試用例時轉(zhuǎn)入步驟6)；

6)在TCi-1中新增1條測試用例，第m、i列參數(shù)分別賦值為Vn和Vj，其余為“*”，從UCi中刪除參數(shù)組合(Pmn,Pij)，并令R=R+1；

7)對第S+1至第R個測試用例中標(biāo)示為“*”的參數(shù)在其取值范圍內(nèi)隨機取值.

8)完成新增參數(shù)的垂直擴展.

為驗證上述算法，對于可能取值數(shù)為A、B、C的輸入?yún)?shù)個數(shù)分別為a、b、c的系統(tǒng)，記輸入?yún)?shù)模型為Aa×Bb×Cc，應(yīng)用本文算法生成的測試用例數(shù)量見表1.分類{X×(Y+Z)}表示前X個參數(shù)為第1類，接下來的Y個參數(shù)為第2類，最后的Z個參數(shù)為第3類，且第1類參數(shù)與第2、3類參數(shù)均相關(guān)，但第2類參數(shù)與第3類參數(shù)不相關(guān).從表1中可以看出，相同的輸入?yún)?shù)模型，不同的分類方法影響測試用例數(shù)量，且未分類對應(yīng)的測試用例數(shù)量明顯多于分類1和2.此外，本文算法對于輸入?yún)?shù)數(shù)量和參數(shù)取值數(shù)量越多的系統(tǒng)，可更為有效地縮減測試用例的數(shù)量.

表1 本文算法針對不同參數(shù)模型及分類情況生成的用例數(shù)量

2 集成調(diào)用技術(shù)

汽車電控單元(electronic control unit, ECU)常用測試設(shè)備及其功能見表2.

為實現(xiàn)集成測試，本文構(gòu)建如圖1所示的汽車電控單元集成測試系統(tǒng)，其中電源和負(fù)載為汽車蓄電池和負(fù)載，或可控電源和負(fù)載，總線仿真測試設(shè)備用于模擬被測ECU所需網(wǎng)絡(luò)總線通信，關(guān)鍵是在上位機中實現(xiàn)對所有測試設(shè)備的集成調(diào)用，進而實現(xiàn)測試設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度和數(shù)據(jù)共享.通常，測試設(shè)備控制軟件會為用戶提供動態(tài)鏈接庫等接口，用于支持其他軟件對該設(shè)備的操控.為此，本文將在Labview環(huán)境下，研究基于不同接口的集成調(diào)用技術(shù)，實現(xiàn)對汽車電控單元常用測試設(shè)備的集成調(diào)用.

表2 汽車電控單元常用測試設(shè)備調(diào)用技術(shù)

2.1 基于ActiveX自動化的集成調(diào)用

如果測試設(shè)備的控制軟件為用戶提供COM (component object model)服務(wù)接口，則可利用Labview的ActiveX自動化調(diào)用該設(shè)備的COM服務(wù)訪問其接口，獲得對測試設(shè)備的控制權(quán)，并實現(xiàn)對設(shè)備的直接控制，如圖2所示.因此，在Labview環(huán)境中可實現(xiàn)測試設(shè)備的打開、運行、停止和退出等操作，同時能夠設(shè)置測試設(shè)備參數(shù)并讀取測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對測試設(shè)備的實時控制.

圖1 汽車電控單元集成測試系統(tǒng)

圖2 基于ActiveX的自動化集成調(diào)用技術(shù)示意

測試數(shù)據(jù)的實時獲取對于集成測試至關(guān)重要.對于測試數(shù)據(jù)，ActiveX通常采用查詢方式，這在一定程度上增加了上位機的負(fù)荷.為實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時獲取，減小上位機的負(fù)荷，本文設(shè)計了采用ActiveX事件監(jiān)控測試數(shù)據(jù)變化，通過數(shù)據(jù)變化時產(chǎn)生的“值改變”事件觸發(fā)接收測試數(shù)據(jù)的接收處理任務(wù)，可有效提高測試數(shù)據(jù)接收與處理的實時性.

2.2 基于動態(tài)鏈接庫的集成調(diào)用

如果測試設(shè)備的控制軟件為用戶提供的是動態(tài)鏈接庫(dynamic link library, DLL)，則可通過調(diào)用DLL庫函數(shù)的方式，實現(xiàn)對設(shè)備的控制，如圖3所示.

圖3 Labview調(diào)用動態(tài)鏈接庫技術(shù)示意

調(diào)用DLL庫函數(shù)必須正確解析庫函數(shù)參數(shù)，這是實現(xiàn)Labview調(diào)用DLL庫函數(shù)的關(guān)鍵技術(shù).本文設(shè)計參數(shù)匹配模塊，實現(xiàn)每一個參數(shù)類型與Labview數(shù)據(jù)類型的匹配，該模塊可在將用戶輸入?yún)?shù)傳遞給庫函數(shù)前進行轉(zhuǎn)化，同時解析庫函數(shù)的返回參數(shù)，在前面板顯示結(jié)果或保存結(jié)果到數(shù)據(jù)文件中.

2.3 基于Python指令的集成調(diào)用

為了實現(xiàn)對Python接口此類設(shè)備的集成調(diào)用，本文基于Python庫文件編寫Python指令，以控制指令為模塊形成不同的PY文件，并保留數(shù)據(jù)傳遞接口.Labview對Python的調(diào)用，是通過在Labview中讀取PY文件，形成系統(tǒng)命令行并設(shè)置其對應(yīng)輸入?yún)?shù)，而Python指令的執(zhí)行則是通過“執(zhí)行系統(tǒng)命令”節(jié)點實現(xiàn)的，最后讀取輸出參數(shù)并輸出，如圖4所示.

圖4 Labview調(diào)用Python指令技術(shù)示意

2.4 修改項目配置文件

為解決參數(shù)輸入及不同測試設(shè)備的項目配置文件格式在Labview中無法識別的問題，本文在Labview中開發(fā)參數(shù)配置界面，在界面中可以實現(xiàn)用戶參數(shù)輸入和參數(shù)之間的約束關(guān)系檢驗，并在輸入?yún)?shù)錯誤時給出提示，確保輸入?yún)?shù)的合理性；同時設(shè)計參數(shù)匹配模塊，對不同測試設(shè)備軟件提供的配置文件進行處理，獲取其軟件參數(shù)的設(shè)置方法.基于上述技術(shù)，用戶在參數(shù)配置界面輸入的參數(shù)，可在Labview中生成針對特定測試設(shè)備的項目配置文件，從而實現(xiàn)了同一環(huán)境下對不同測試設(shè)備的參數(shù)修改，如圖5所示.

圖5 Labview修改項目配置文件技術(shù)示意

3 實驗驗證

3.1 電動汽車VCU的故障診斷測試

根據(jù)圖1構(gòu)建的電動汽車VCU (vehicle control unit)集成測試系統(tǒng)如圖6所示，通過不同測試設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制，在車速達(dá)到40 km/h時使一路加速踏板傳感器信號超出正常范圍，測試VCU是否生成故障碼及其對車速的控制是否滿足設(shè)計要求.測試用例見表3，其中開始測試信號用“Start”表示，“Speed”為車速，加速踏板傳感器故障碼記為“Acc-P-Fault”.

圖6 電動汽車整車控制器集成測試環(huán)境

當(dāng)前階段下一階段狀態(tài)檢測推進條件READYAccelerationStartStart=ONAccelerationAccelerationPowerFaultSpeedAcc-P-FaultSpeed>40km/hAccelerationPowerFaultENDSpeedAcc-P-FaultSpeed=0READYAccelerationStartStart=ON

執(zhí)行測試時，首先由Labview讀取測試用例并啟動所需設(shè)備，之后自動進入就緒狀態(tài)，用戶設(shè)置“Start”為ON觸發(fā)測試執(zhí)行，直至“END”結(jié)束測試.各測試階段上位機的需要執(zhí)行的操作如下：1)Labview在“Acceleration”階段控制虛擬儀器設(shè)備輸出正常的傳感器信號；2)Labview在故障生成階段控制虛擬儀器設(shè)備輸出異常的傳感器信號；3)Labview在測試的過程中分別調(diào)用dSPACE和DTS讀取車速信息和故障碼.

從圖7所示的測試結(jié)果中可以看出，VCU能夠在故障發(fā)生后快速檢測到，生成故障碼并采取必要的控制措施,測試系統(tǒng)實現(xiàn)了該模塊的測試.

圖7 電動汽車VCU故障診斷測試波形

3.2 車身控制器的控制策略測試

以車身控制器為被測對象根據(jù)圖1構(gòu)建的集成測試系統(tǒng)，如圖8所示.以車身控制器的大燈和雨刮控制功能模塊為被測對象，測試流程如圖9所示.首先利用本文方法生成測試用例集；測試過程中，上位機通過讀取測試用例獲取測試輸入信號組合，集成調(diào)用測試設(shè)備模擬被測控制器所需工作環(huán)境，并實時采集其實際狀態(tài)與期望狀態(tài)進行對比分析.

圖8 車身控制器集成測試環(huán)境實物

圖9 車身控制策略測試流程

在測試用例生成環(huán)節(jié)，針對車身控制器的大燈和雨刮控制功能模塊，以“一汽”的某款車型為例，其輸入信號及其分類見表4.

表4 車身控制器大燈和雨刮器功能模塊信號分類

在表4中，分類2和3的輸入信號分屬不同功能模塊，無相關(guān)性，其他輸入信號之間具有相關(guān)性.根據(jù)本文提出的測試用例生成算法，對輸入信號進行分類，并考慮輸入信號之間的相關(guān)性和約束條件下生成測試用例共16條，包含所有參數(shù)的兩兩組合，實現(xiàn)了測試的全覆蓋.根據(jù)本文算法，相關(guān)輸入?yún)?shù)組合中的參數(shù)數(shù)量和取值數(shù)量決定了測試用例的數(shù)量，所以總計16條測試用例達(dá)到了最小用例集的結(jié)果.

與之形成對比的是，如果不考慮信號分類及其相關(guān)性，采用改進前的IPO算法直接生成測試用例，則需要用21條測試用例才能夠到達(dá)兩兩準(zhǔn)則100%的覆蓋率.由此可見，針對車身控制器的大燈和雨刮控制功能模塊，相對于改進前的算法，本文給出的算法可減少測試用例數(shù)量超過20%.更為重要的是，系統(tǒng)邏輯關(guān)系越復(fù)雜，輸入信號越多，信號可能取值數(shù)量越多，本文算法的優(yōu)勢就越明顯.

在汽車電控系統(tǒng)中，尤其是車身控制系統(tǒng)中，存在很多邏輯復(fù)雜的功能模塊，如無鑰匙進入、中控門鎖、電動車窗、車身防盜等功能模塊，這些功能模塊都可以在系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，對輸入信號進行分類，并描述信號之間的相關(guān)性.因此，類似車身控制器的大燈和雨刮控制功能模塊，汽車電控系統(tǒng)中的所有邏輯功能模塊都可以采用本文的測試用例生成算法，以減少測試用例數(shù)量，提高測試效率.

根據(jù)本文算法生成的測試用例，利用圖8所示的集成測試系統(tǒng)對車身控制器進行測試，測試結(jié)果見表5.在“實際輸出”對應(yīng)的單元格內(nèi)填充灰色表示實際輸出與期望輸出一致.可見，本文所提測試用例自動生成算法結(jié)合集成調(diào)用技術(shù)，可實現(xiàn)對汽車電控單元復(fù)雜邏輯控制功能的高效、準(zhǔn)確測試.

表5 大燈和雨刮模塊控制策略測試結(jié)果

4 結(jié) 論

1)針對汽車電控單元集成測試過程中需要用到多種測試設(shè)備，且已有設(shè)備無法實現(xiàn)協(xié)同控制與數(shù)據(jù)共享的現(xiàn)狀，構(gòu)建了能夠滿足不同測試需求的汽車電控單元集成測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了上位機中基于Labview對總線仿真測試及干擾設(shè)備、參數(shù)標(biāo)定設(shè)備、虛擬儀器設(shè)備、診斷測試設(shè)備和實時仿真系統(tǒng)等汽車電控單元常用測試設(shè)備的數(shù)據(jù)共享和實時管理.

2)本文方法可滿足不同汽車電控單元的測試需求，提高測試效率和精度，方便回歸測試，有效解決了人工操作很難捕捉到的死鎖、資源沖突等問題.

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(編輯 張 紅)

Study on test case generation and integration testing method for vehicle electronic control unit

ZHAO Linhui，LUO Quan，LIU Zhiyuan

(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, 150001 Harbin, China)

To test the vehicle electronic control units, an improved test case generation algorithm based on the IPO (In-Parameter-Order) strategy is proposed via the parameter correlation and combination constraints of the vehicle. An integration testing system for vehicle electronic control units is developed, in which a unified management and data sharing mechanism is enabled for the common equipments used in vehicle test. The proposed method is validated under two different kinds of vehicle electronic control units and test conditions. The results show that the proposed test case generation algorithm can achieve the same coverage with a clear reduced number of test cases. And the integrated test system can meet the test requirements of the different vehicle electronic control units, with an improved testing efficiency and accuracy.

vehicle; electronic control unit; test; test case; integration invoking

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.04.008

2014-11-13.

國家自然科學(xué)基金(61104060); 中國博士后科學(xué)基金(2014M551244).

趙林輝(1981—)，男，講師；

劉志遠(yuǎn)(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

趙林輝，zhaolinhui@hit.edu.cn.

TP311

A

0367-6234(2016)04-0048-06