关于对汽车ECU软件测试的理解

在汽车行业对软件开发重视的当下，不少从其他行业加入的，那熟悉ECU软件测试流程就是必要的了，另外对于一直在行业深耕的开发或测试人员，梳理一下测试流程也是有必要的。

接下来我们以常用的V模型开发流程为线索，列举实例来说明。

图1. V型开发流程

01.

需求编写

假如现在我写了一个系统需求，也就是图1中的“Technical Safety Concept”:

(PS：所有的Techincal Safety Concept都是系统级需求，不是软件需求)

系统需求：

自适应巡航功能只能在30公里到120公里每小时之间激活.[ACC-SysReq 001]；

并且一旦退出后不可再自动激活[ACC-SysReq 002]。

简单起见，我们先看第一条需求，并把这条系统需求写成软件需求：

软件需求：

当以下条件满足时，ACC功能状态设置为READY[ACC-Req 001]:

• 车速大于或等于30kph AND

• 车速小于或等于120kph.

当满足以下条件时，ACC功能状态设置为SUPPRESSED[ACC-Req 002]:

• 车速小于30kph OR

• 车速大于120kph.

在软件设计文档中， 也就是图1V模型中的Architectual Design里可以写：

Design Requirement

Acc_ActSt shall equal to READY if:

• SafeVehSpd is greater or equal to 30kph AND

• SafeVehSpd is less than or equal to 120kph.

Acc_ActSt shall equal to SUPPRESSEDif:

• SafeVehSpd is less than 30kph OR

• SafeVehSpd is greater than 120kph.

到这里，以上就是一个最简单的需求demo。根据这个需求，你通过几行代码来实现。假设使用C来写，在原有的C文件acc.c中加入了：

if((SafeVehSpd >= 30) && (SafeVehSpd <= 120)){
    Acc_ActSt = READY;
}
else if((SafeVehSpd < 30) || (SafeVehSpd > 120)){
    Acc_ActSt = SUPPRESSED;
}
else{
}

有同学可能会好奇，第一个if语句写完了直接写else不就完了嘛。

是的， 但是目前我也不知道客户后面会怎么改这个需求，可能会对其他速度段增加新的状态，所以就先写个else if在这里，方便以后扩展。

到这，V模型的左半边我们就做完了，现在我们开始来测试。

02.

单元测试

写完代码并编译成功后，先进行代码的单元测试，图1 V模型中的“Software Unit Verification”。顾名思义，就是把新编写或者修改过的单元（单独的C文件，在本例中是上述的acc.c)与整个软件工程隔离，单独测试其输入输出。

图2. 单元测试只关心某个具体的软件单元

汽车上的代码开发通常首先要做MISRA-C规则测试。MISRA-C测试是一种代码静态测试，用来检验编码是否符合一系列预先设定的编程规则。这里我们假设用的测试工具是QAC。

就我写的这段代码，估计会报出一个warning, 因为 “else” 这个分枝实际上是无法触发的，而MISRA-C的其中一个规则就是所有代码都必须可触发，所谓“Accessible”。当然啦，这里我是有意为之，所以可以注释一下就放过去了。

下一个步还可以进行Polyspace测试，Polyspace也是一种静态测试工具，其可以进一步帮助判断算法运算过程中，会不会产生诸如数组索引越界、被除数为零之类的bug 。上述例子中只有逻辑判断，所以其实不需要做Polyspace测试。

接下来进行功能测试。在功能测试中，我们需要：

1. 梳理待测单元的输入和输出信号

2. 设计一系列的输入信号值，并同时列举对应的正确输出信号值。我们把这个叫做“测试集”。

3. 输入测试集中的输入信号值，运行单元代码。如果输出信号的值和测试集中的正确输出信号值相同，则功能测试通过。

编写测试集的基本原则之一为测试需覆盖所有代码，并且尽量测试所有判断逻辑。上述例子非常简单，只有一个输入变量和一个输出变量，分别为 SafeVehSpd 和Acc_ActSt。

我们需要把输入信号按判断逻辑分成若干个Equivalent Class 。在上述例子中，将输入信号(假设 SafeVehSpd的类型为Unsigned int, 速度上限为500 kph)SafeVehSpd分成三个Equivalent Class，分别为:

1. [0, 30）

2. [30, 120]

3. (120,500]

于是这三个Equivalent Class里随机各取一个值，就能测试所有代码逻辑了。但实际测试中，往往还需进一步进行边界测试, 也就取每个Equivalent Class的两端的值来进行测试。这就涉及到精度问题了。假设这段代码是定点运算，车速数值由10bit表示，前述车速上限为500，车速的精度就是 500/（2^10）= 0.48828125。

所以严格来说，测试集需要测试的输入变量SafeVehSpd的值有6个，分别是 0 ，29.5117188 ，30 ， 120 ， 120.48828125 ， 500 。

当然，现在很多工具支持自动生成测试集，所以不用程序员费劲的去算这些破玩意儿。

需要说明的是，就算进行了完善的功能测试，也并不能保证功能就没有bug，因为实际工程中输入信号的组合是无穷无尽的，再加上时序等因素，功能测试不可能穷尽所有的实际情况，我们只是尽力而为。

汽车行业比较流行的单元测试工具有VectorCAST、Cantata等。

03.

软件集成测试

完成单元测试后，就要把测试好的软件单元集成到整个软件工程里来测试。这一步对应图1中的“software verification and integration"。

图3.集成测试关注整个系统的输入输出

在单元测试中，我们通过直接改变SafeVehSpd 的值来进行测试。实际上，SafeVehSpd来自CAN总线上的车轮轮速数据。

假设如图3所示，获取CAN总线上传来的原始轮速信号WheelSpdRaw， 经过通信接口模块COM_IF.c处理 以及车速计算模块VehSpd.c计算后 ,得到信号SafeVehSpd 。那么在集成测试中，我们通过改变WheelSpdRaw的数值来对acc.c中的代码进行测试。为了其目的是为了验证acc.c模块与其他模块的接口是否正确，以及各模块之间是否有冲突。

进行软件集成测试的时候，图3的三个模块其实合并在了一起形成了一个“黑盒”，我们只关心最初的输入信号WheelSpdRaw 和最终的输出信号Acc_ActSt 之间的逻辑。

在实际工程中，COM_IF.c、VehSpd.c 和 Acc.c 三个模块很可能是由三个工程师维护的，这就可能导致任何一个模块单独进行集成测试都通过不了。这时候就需要由项目经理或者product owner提前进行沟通协调，确保所有功能都更新以后，三个模块一起进行集成测试。

软件集成测试流行的工具和单元测试一样， 也是Cantata之类的。

软件单元测试和软件集成测试都可以被称为软件在环测试（Software in the loop , SIL)。

04.

硬件在环测试(HIL)

完成SIL测试后，下面就是硬件在环测试了（Hardware in the loop, HIL），对应了图1中的 “Testing of embedded software”。有一些企业在硬件在环测试前之还会进行PIL测试（Processor in the loop），这里就不讨论了。

HIL测试也是一种集成测试。前面讨论的软件集成测试，是在PC 仿真环境执行的，而实际ECU无论是负载、内存、硬件等方面和PC环境有很大的不同，所以相同的功能需要在实际硬件中再测试一遍。

也就是说，HIL测试与软件集成测试最大的不同在于，前者运行于实际硬件中，而后者只是运行在计算机仿真环境下。

硬件在环测试的主要工具是实际的零部件。比如测试ACC功能的话可以是ADAS控制器，或者是集成了ACC功能的毫米波雷达、摄像头等。除此之外还要有一个实验台架提供必要的运行环境、电力供应和总线接口。

常用的HIL测试工具比如dspace的测试环境，dspace control desk。

和软件集成测试一样，HIL测试也是通过改变原始的CAN信号（上述中的WheelSpdRaw）来进行测试，只不过，这一次不是直接改变WheelSpdRaw在内存中的数值，而是通过HIL测试台架真的向ECU通过CAN发送真实的WheelSpdRaw信号。

HIL测试的测试集，也就是测试用例需要和软件需求Software Requirement 严格对应，可以是一对一，一对多或者多对一都可以。所有的 HIL测试用例都必须根据一条对应的Software Requirement 写出，但是条件就没有单元测试时候那么苛刻了。

比如为了测试需求ACC-Req 001，HIL测试用例可以写成：

1. Turn ECU on;
2. Set all wheel speed at 0;
3. Turn ACC function on;
4. Observe ACC status to be SUPPRESSED;
5. Gradually increase all wheel speed to 31 kph;
6. Observe ACC status change to READY after 30 kph;
7. Gradually increase all wheel speed to 121 kph;
8. Observe ACC status change to SUPPRESSED;
9. Gradually decrease all wheel speed to 119 kph;
10. Observe ACC status change to READY below 120 kph;
11. Gradually decrease all wheel speed to 29 kph;
12. Observe ACC status change to SUPPRESSED;
13. Turn ECU off.

需要把trigger和recover的情况都覆盖到。事实上这个测试用例也可以用来测试ACC-Req 002，这就是“一对多”的情况。

05.

实车测试

实车测试就很好理解了，在所有前述测试都通过以后，工程师上车来实际测试相关功能。这对应了图1中的“System and item integration and testing”。实车测试用例需要根据系统需求来制定。

对于本文的例子，可以写成：

1.着车后打开ACC功能，保持车辆静止。观察仪表盘，ACC 功能未启动。

2. 将汽车加速至30kph，再次打开ACC 功能， 观察仪表盘，ACC启动。将汽车减速至29kph，观察仪表盘，ACC 功能退出。

3. 将汽车加速至110 kph， 打开ACC 功能， 观察仪表盘， ACC 启动。将汽车加速到121kph，观察仪表盘，ACC 功能退出。