引言

汽車制造商宣傳其駕駛員信息與操控系統(tǒng)的性能時喜歡使用“連接性”這個流行術(shù)語。這個概念意味著汽車的多媒體操作界面不只負責(zé)管理單個功能區(qū)，例如導(dǎo)航。相反，它作為一個復(fù)雜的操控和顯示裝置服務(wù)所有汽車功能，其中包括娛樂、電話、車載電腦，甚至還用于控制汽車參數(shù)（如舒適功能或底盤特性）。在產(chǎn)品開發(fā)過程的每個階段，這種復(fù)雜控制單元的功能測試及其在車身架構(gòu)中的聯(lián)網(wǎng)都構(gòu)成特殊挑戰(zhàn)。因此，僅僅使用從控制單元通信和電氣測量到機械參數(shù)控制和采集再到工業(yè)圖像處理的多種測試技術(shù)并不足以評估顯示內(nèi)容。即使在所采用的具體測試技術(shù)中，單個測試任務(wù)的覆蓋范圍也非常廣。由于通信接口眾多且操作元件具有不同特性，同時是為了實現(xiàn)合理投資成本，我們需要模塊化測試設(shè)備。圖1 給出了一個多元信息娛樂測試系統(tǒng)的視圖，從圖 2 所示的資源范圍中可以看出測試要求的復(fù)雜性。下面討論各技術(shù)領(lǐng)域的一些典型挑戰(zhàn)。


圖 1：信息娛樂測試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

控制單元通信

駕駛員支持、通信和娛樂是汽車客戶的愿望和要求，這些因素多年來一直推動廠商研發(fā)日益復(fù)雜的汽車信息娛樂解決方案。為此，信息娛樂控制單元與汽車所有功能區(qū)（例如驅(qū)動裝置和底盤）互連，以便接收和顯示對汽車乘員重要的信息，或進一步轉(zhuǎn)發(fā)這些信息。在車身架構(gòu)的各個功能區(qū)中已經(jīng)建立了不同的總線系統(tǒng)，其特性能夠最好地滿足每功能區(qū)的功能要求。因此人們使用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（如MOST、VDS/APIX 或新崛起的以太網(wǎng) (BroadR-Reach)）傳輸圖像和視頻數(shù)據(jù)，例如攝像頭輔助系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)。在驅(qū)動裝置和安全系統(tǒng)中，人們采用防故障FlexRay 以及總體而言應(yīng)用最廣且最實惠的全能型CAN。測試系統(tǒng)應(yīng)盡可能完整模擬待測控制單元的汽車環(huán)境并通過通信接口與控制單元交換數(shù)據(jù)，而且必須提供硬件和軟件模塊來支持所有相關(guān)的總線系統(tǒng)。這里的技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何模擬具體工作模式。從原則上看可以設(shè)想在測試系統(tǒng)中使用原始汽車組件。但這種方法非常不靈活，并且所需的原始組件在需要時通常難以獲取。如果在測試系統(tǒng)中使用通用信號發(fā)生器代替原始組件，如圖2 中所示的 MOST150 通信，就可以顯著提高靈活性。然而，這種常見且看似簡單的方法不僅意味著測試儀器方面的硬件開支很高，而且意味著因數(shù)據(jù)減少而出現(xiàn)傳輸質(zhì)量變差，意味著傳輸中存在固有的時間延遲以及由此產(chǎn)生的對于測量和故障模擬的觸發(fā)能力不足。最佳做法是通信接口（如圖2 的下部所示）自身產(chǎn)生信號序列，并以此在信號曲線與 MOST 消息傳輸之間建立具體時間基準。通過這種方式，MOST 接口能夠輸出絕對精確的觸發(fā)脈沖。


圖 2：使用 MOST150 提供數(shù)據(jù)流的可能性

對于MOST 總線在信息娛樂領(lǐng)域的推廣和前景，我們可以預(yù)見，由于具有可快速傳輸大量數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，MOST總線將繼續(xù)保持相對于其他總線系統(tǒng)的競爭力。預(yù)計到 2020 年，汽車概念設(shè)計將會引入 MOST UGN，這是一個更高級版本，傳輸速度高達5 Gbit/s。

但目前毋庸置疑的情況是以太網(wǎng)正勢不可擋地在汽車上普及，在為汽車用途設(shè)計的BroadR-Reach 硬件平臺上尤其如此。除其他優(yōu)勢外，該標(biāo)準還將 IT領(lǐng)域常見的 100Mb 以太網(wǎng)的4 個線芯減少到只有一個 1 個線對，從而提供了一種經(jīng)濟高效的方法。以前的應(yīng)用在很大程度上局限于以太網(wǎng)攝像頭在駕駛輔助系統(tǒng)中聯(lián)網(wǎng)，并且由于涉及的功能不復(fù)雜，它們可以使用相對簡單的軟件協(xié)議工作。因此，就開發(fā)和測試目的而言，在測試環(huán)境中配備一個將PC 以太網(wǎng)通信傳輸?shù)?BroadR-Reach 硬件層的介質(zhì)轉(zhuǎn)換器就足夠了。然而，最近發(fā)布并升格為通信標(biāo)準的AUTOSAR 以太網(wǎng)協(xié)議棧為實現(xiàn)復(fù)雜協(xié)議功能提供了軟件技術(shù)基礎(chǔ)。這為汽車以太網(wǎng)走向廣泛應(yīng)用清除了一個主要障礙。高技術(shù)性能（比特率高達100MB/s）加上經(jīng)濟可行，以太網(wǎng)甚至有可能作為骨干總線系統(tǒng)像CAN 一樣普及。因此，面向未來的信息娛樂測試系統(tǒng)應(yīng)該提供用于以太網(wǎng)/BroadR-Reach的硬件和軟件接口。由于 AUTOSAR 以太網(wǎng)協(xié)議棧的規(guī)范涉及范圍很廣，在軟件技術(shù)的實施方面存在更大挑戰(zhàn)。另外還不能忽視剩余總線模擬。至少在控制單元的開發(fā)階段，為了能夠評估高總線負載下的動態(tài)行為或在不同接口之間轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)時的路由時間，剩余總線模擬是不可或缺的。與之相關(guān)的是從各個標(biāo)準化數(shù)據(jù)庫自動生成通信范圍。

另一個相關(guān)方面是通過LVDS 或為汽車用途開發(fā)的 APIX 標(biāo)準傳輸圖像和視頻數(shù)據(jù)。LVDS 在圖像數(shù)據(jù)源與顯示器或存儲設(shè)備之間采用經(jīng)典點對點連接，因此與上述總線系統(tǒng)相比存在局限性。但是，這種經(jīng)典連接在信息娛樂領(lǐng)域最為常見，幫助LVDS 和 APIX 得到極大普及。LVDS 和APIX 的主要區(qū)別在于 LVDS 為圖像數(shù)據(jù)傳輸定義了純硬件標(biāo)準。因此，為了控制顯示器亮度等設(shè)備參數(shù)，需要使用額外通信接口來啟用汽車中圖像源或操作裝置的顯示屏幕。為了節(jié)省這個額外的CAN 或 LIN 接口，人們已經(jīng)對 APIX 開發(fā)出一種方法，將控制參數(shù)在邊帶上調(diào)制并隨LVDS 信號一起發(fā)送。


圖 3：用于 LVDS、APIX和 FPD-link 的組合式圖像數(shù)據(jù)采集器/發(fā)生器連接選項

圖像處理任務(wù)
基本上所有可視信息都需要通過圖像處理來采集和評估。但是，這會產(chǎn)生巨量信息流而且需要很長測試時間，因此在確定測試策略時，必須認真考慮在產(chǎn)品開發(fā)過程中的哪個節(jié)點真正有必要進行圖像處理。大多數(shù)屏幕顯示或視覺指示器通過軟件功能觸發(fā)，這些功能是為了軟件開發(fā)階段的測試而預(yù)留的。在生產(chǎn)線終端測試中根本沒有時間可用于圖像處理。盡管如此，在這時仍須測試可視元件的功能，但這是在定制測試程序的幫助下完成的，與汽車的“真實”運行狀況無關(guān)。
信息娛樂領(lǐng)域的典型圖像處理任務(wù)包括：
- 檢查顯示內(nèi)容
- 不同字體和語言變體的光學(xué)字符識別
- 符號識別，符號顏色準確性
- 符號和警告顯示的切換時間測量
- 指針位置的測定，指針運動的一致性（動態(tài)）



圖 4：汽車中的 HMI 控制單元

無論圖像采集的類型如何，我們從眾多可選測試功能中可以清楚地看出，簡單有效的測試用例配置特別重要。對系統(tǒng)示教足夠數(shù)量的參考圖像非常費時費力。
讀取字符（OCR=光學(xué)字符識別）是圖像處理測試任務(wù)復(fù)雜性的一個典型例子。字符識別涉及不同語言、字體大小、字體樣式或圖像背景，而且要求很高。
盡管存在這些極端條件，車載HMI 模塊的實際文本識別評估測試要求對20,000 個字符的誤讀數(shù)不超過 1 個（0.005%）。這相當(dāng)于識別1,000 幅屏幕截圖只出現(xiàn)一處誤讀。如果使用理想情況下（黑色字符在白色背景上）誤報率達1% 的傳統(tǒng) OCR 工具，識別5 幅屏幕截圖就會出現(xiàn)一處誤讀，因此這樣不可行。只有將經(jīng)過優(yōu)化的圖像預(yù)處理算法與成熟OCR 識別算法有效結(jié)合，才能達到所要求的性能。GÖPEL電子開發(fā)的創(chuàng)新 easyOCR™函數(shù)具備這些功能。easyOCR™函數(shù)的特點是可以自動完成所描述的測試，而無需任何示教。




圖 5：圖像自動預(yù)處理和讀取過程。上部：一個幀內(nèi)的反轉(zhuǎn)和正常區(qū)域；下部：讀取區(qū)域內(nèi)的各種干擾對象。
即使有了更多測試功能（如符號識別），也必須通過各種圖像處理算法的智能組合，方可確保即使沒有示教也能以所要求的極高可靠性完成自動測試。

機械控制組件和觸控屏的測試

為了能夠測試信息娛樂控制裝置的特定運行狀況，按鍵（硬鍵）和旋鈕操作以及越來越多的觸摸屏操作（軟鍵）已經(jīng)不僅僅是“必要之惡”?？刂平M件帶來駕駛員與汽車之間的直接接觸，因此用戶在操作過程中的主觀感受也很強烈。機械控制組件具有可通過計量準確檢測的觸覺特征：按下按鈕時，您期望得到反饋，例如聲音或明顯的快速響應(yīng)。如果無法收到這些信息，操作就會讓人感到更加不舒服，因為此時必須按住按鈕，直到出現(xiàn)其他響應(yīng)信號（如 LED 指示燈）。“清爽”且功能精確的控制組件給人留下高品質(zhì)印象。切換路徑不明確、力量要求不一致或反饋遲緩被視為“不健全”、“不穩(wěn)定”或“廉價”。因此，汽車制造商應(yīng)非常重視通過堅實的結(jié)構(gòu)設(shè)計和高質(zhì)量的機械操作組件裝配來彰顯產(chǎn)品的高品質(zhì)形象，而且這種重視不應(yīng)局限于高端車領(lǐng)域。從測試技術(shù)角度來看，這個問題的解決方案在于確定按鍵的作用力/位移特性以及旋鈕的旋轉(zhuǎn)角度特性（例如音量控制）。從客觀測量值可以計算出特征測量值，然后使用這些特征測量值評估觸覺質(zhì)量。但是，將相應(yīng)的測試設(shè)備集成到高產(chǎn)生產(chǎn)線中的主要挑戰(zhàn)是如何符合生產(chǎn)線節(jié)奏。例如，根據(jù)測試樣本的類型，中央操作裝置最多可以有 35 個單獨按鍵，必須對這些按鍵進行電氣測試并檢測其觸覺特性。

圖 6：操作單元生產(chǎn)線終端測試中的觸覺測試單元應(yīng)用實例

為了消除大量機械按鍵，設(shè)計人員在操控概念設(shè)計中越來越依賴于觸控屏，而其操作又需要新式模擬，例如單指手勢（點擊、輕掃、拖動）或使用雙指操作來縮放屏幕內(nèi)容。所執(zhí)行的操作會通常觸發(fā)控制單元內(nèi)部軟件運行。根據(jù)具體測試樣本，必須通過光學(xué)或電氣方法對其反應(yīng)進行評估。目前的信息娛樂系統(tǒng)不僅具有觸摸屏，還提供用于 USB 設(shè)備、SD 卡或 CD 驅(qū)動器的端口。因此，除了執(zhí)行手勢動作，操作機器人還必須能夠插入或拔出 U 盤、更換 SD 卡以及將 CD 插入驅(qū)動器。在實踐中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于工具通用性、操作多樣性以及所需結(jié)構(gòu)緊湊性相互排斥，無法通過機器人控制的單個操作元件在觸摸屏上執(zhí)行所有可能的操作。圖 7 顯示了一個復(fù)雜的信息娛樂測試系統(tǒng)，其中總共有 3 個不同的工具模塊以自動切換方式操作觸摸屏。

圖 7：具有觸摸屏和傳統(tǒng)鍵盤操作元件的操作機器人

總結(jié)
本文介紹了信息娛樂測試系統(tǒng)的一些關(guān)鍵細節(jié)。我們已經(jīng)基于這些細節(jié)開發(fā)出一種功能非常強大的系統(tǒng)，其中可以提供測試復(fù)雜控制和顯示裝置所需的全部技術(shù)，而且其應(yīng)用范圍涵蓋現(xiàn)實中出現(xiàn)的信息娛樂模塊的所有變體和構(gòu)造設(shè)計。可能的應(yīng)用范圍從指示儀器（例如組合儀表和中央顯示屏），到采用旋轉(zhuǎn)、推動和按壓方式操作的機械鍵盤或輸入元件，再到觸摸屏中操作和可視化功能的組合。此外，它在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用也非常廣泛——從原型測試，到質(zhì)量保證中的耐久性測試，再到模塊制造中的生產(chǎn)線終端測試。這種高度靈活性的決定因素是系統(tǒng)硬件和軟件采用一致的模塊化設(shè)計，而且該系統(tǒng)完全基于 PXI 或以太網(wǎng)等開放行業(yè)標(biāo)準。這不僅確保根據(jù)實際資源需求對系統(tǒng)配置進行成本優(yōu)化，而且確保測試設(shè)備能夠用于未來各代汽車的信息娛樂平臺。

作者
MichaelSchmidt
Jörg Schambach
Jens Münzberg
Manfred Schneider