硬體迴圈搭配模擬系統　汽車嵌入式軟體測試順利達陣

汽車工業下一波的變動潮流正要開始，其中嵌入式軟體影響甚鉅。目前每一輛汽車的嵌入式軟體不但引領汽車的操作方式，更改變背後的設計、開發、測試等作業。本文將先從汽車引擎中的空氣與燃料混合作業談起。

汽車電子化趨勢不斷發展　整合嵌入式軟體數量大增

駕駛越來越依賴的嵌入式軟體，不僅能確保車輛正常運作，也能在車輛故障時進行診斷並加以修復。舉例來說，幾年前，車主須拿出工具箱自行調整化油器指針的正確位置，但現今則是全然不同的情況。另外，目前汽車的空氣燃料混合比例是由電子控制單元(ECU)控制，而ECU又會根據車輛行駛的情形決定混合比例。隨著汽車的電子設備愈來愈複雜，工程設計亦必須面對更大的難題與挑戰；透過比喻說明汽車工程設計複雜度，若工程師針對太空梭設計須撰寫五十萬行的軟體程式碼，那最新款車輛可能就必須寫出一億行程式碼(圖1)，且為滿足這種最高創新設計需求的機械，嵌入式軟體須整合至所有的汽車建構程序中。

圖1　相較於其他高階機器的程式碼，電子汽車的複雜程度顯而易見。

燃料越來越昂貴，且所有的天然資源均有儲量限制，也因此幾乎所有汽車均轉往電子/電氣化的方向發展。日漸攀升的油價，加上各國都在努力降低碳足跡的結果，都讓汽車製造商必須研發其他動力型態的汽車，而這樣的發展趨勢，與傳統的化油器引擎設計大相逕庭。更何況即便是傳統的化油器引擎，也都是透過嵌入式軟體控制重要元件。

電子化的傳動系統又另外帶來新障礙，這些新設計也成為開發團隊的挑戰。舉例來說，傳統工具往往透過硬體迴圈(HIL)模擬達到檢驗軟體的功能，這類透過複雜演算法或模型模擬元件的方式，若用於電子馬達系統，就無法提供確實的數據，也會造成數據不足。若須以十倍速度模擬脈衝寬度調變(PWM)訊號，且測試系統必須以數百伏特為階次單位處理高電壓值，則根據系統模擬部位的不同，相關系統需求絕對馬虎不得，才能獲得高精確度的結果。若工程師要檢驗最新的電子系統，現階段傳統HIL工具已無法達到所需的準確度，如此一來，便迫使汽車製造商採用高階技術如現場可編程閘陣列(FPGA)，評估高效能的HIL平台，確保以更高的必要速度執行模擬模型。

嵌入式ECU軟體提升燃油效率

若要逐漸提升燃油效率，其實應將電子引擎轉為化油器引擎。此趨勢受石油成本與環境考量而發生，但實際上各國政府法案的推動，為化油器引擎替代電子引擎更重要的推動力。舉例來說，美國已要求車輛必須於2025年達到54.5MPG的平均耗油；亦即每加侖燃油須能跑上54.5英哩，也就是約3.78公升的汽油可行駛87公里。但對目前路上奔馳的車輛而言，這個數字簡直是天方夜譚，不過對化油器車輛而言，ECU的演算法可達到正確空氣燃料混合比，並將此比例傳送至引擎，以達到最佳燃油效率與里程數，同時符合廢氣排放標準。

要滿足上述條件，穩定製作原型、測試、建構完美的演算法，以達到超高燃油經濟效益，這些都是ECU軟體工程師須背負的額外壓力。工程師必須快速創新並汰換，也就是需要高彈性的原型製作平台，另要整合模組化輸入/輸出(I/O)，以便即時執行模擬模型。針對嵌入式ECU軟體的多個部分，若要透過後續資料做出正確決策，絕對不能缺少控制演算法。舉例來說，有越來越多的引擎產品採用直接噴油嘴，演算法亦更為複雜，這是由於直接噴油嘴須在燃燒之前，將燃料注入引擎汽缸的嚴苛環境中，因此每次引擎週期均須進行精確運算，並另外納入多組高階壓力感測器的資料。若以達到6,000RPM的V8引擎來說，ECU必須在3毫秒(ms)以內完成計算並做出回應。

嵌入式軟體控制資訊娛樂系統

現在汽車廣告最常提及的功能，就是資訊娛樂系統與高階駕駛輔助系統。當然，不論是顯示資訊、連接外部裝置、偵測可能問題、糾正駕駛行為等功能，嵌入式軟體都扮演關鍵角色。已有越來越多車輛搭載手機連線裝置，讓軟體控制車用娛樂系統，進而偵測道路情形或駕駛人的精神狀態，進而保障駕駛人的安全。

除了軟體功能不斷增加之外，相關系統亦使用多樣I/O，才能完成高效益的測試作業(圖2)。若某一系統銜接多種射頻(RF)協定、整合車內網路的功能，並同時接收分散式感測器的輸入訊號，則該系統的測試作業勢必極為複雜。此外，某些I/O在汽車產業中並未相當普遍，因此系統需求的難度可能更高，若要滿足此種需求，則須讓單一平台可同步所有I/O，若要同步測試這些汰換迅速的I/O，就測試系統須要能精確顯示車上發生的所有情況。

圖2　汽車工程師需要靈活的原型製作平台，整合模擬系統元件與實體物理元件，以因應不同的測試階段。

汽車新應用更佳多元　元件與軟體測試日益複雜

工程師不斷提升汽車的重要功能還包括乘客的安全。乘客安全的重視體現駕駛人對家人與好友的保護情感，卻也帶來更多嵌入式軟體設計挑戰。

車內以電子方式控制的重要安全元件已經越來越多，當然相關功能的測試作業也更為複雜。有鑑於此，汽車工業促成ISO 26262功能安全標準的誕生，該標準亦定義安全性電子元件的測試程序，以及相關元件的研發與測試方式。

新標準當然會影響工程師汽車設計的工程進度，但只要透過智慧型測試技術，如提升元件的重複使用性，汽車工程師可將ISO 26262的消費者安全放在首位，且不影響整體工程進度的安全性。

嵌入式軟體助陣　汽車設計驗證更有效率

圖3　一旦儀表板整合娛樂與資訊功能後，嵌入式軟體將扮演汽車行動中的重要角色。

如上所述，目前有越來越多的測試車台，整合實際物理元件與模型，進而測試ECU模型架構測試車台等裝置，此裝置不僅改變傳統的測試方式，工程師還須於嵌入式軟體檢驗的階段中，進一步整合測試方法，將相當耗時。新的HIL測試作業搭配模型與模擬系統元件，而非實體元件，將可降低整體的測試與檢驗成本。此外，汽車工業的另一種傳統測試，是在測試車台上使用動力計等物理機械元件，若以模擬模型搭配HIL測試，亦可得到相同效果。

(本文作者任職於美商國家儀器)