射頻硬件在環(huán)技術(shù)推動(dòng)嵌入式系統設計的發(fā)展

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)更多地嵌入諸如車(chē)載雷達和機器對機器通信等“關(guān)鍵任務(wù)”應用中，新的測試方法也相應出現，以確保系統的可靠性。其中一種RF驅動(dòng)系統測試方法便是“硬件在環(huán)(HIL) 測試”，該測試方法屬于“實(shí)時(shí)”測試類(lèi)。今天，小編就將帶你透過(guò)美國國家儀器大咖工程師David A. Hall的視角了解HIL測試及其在自動(dòng)駕駛測試中的發(fā)展趨勢。

HIL測試所采用的原理，即認為測試工程師可以創(chuàng )建出測試系統，以仿真現實(shí)世界中典型存在實(shí)體系統，這并非是新的理念。然而，RF技術(shù)在諸如車(chē)載雷達等關(guān)鍵任務(wù)應用中的日益普及，使得HIL測試成為無(wú)線(xiàn)應用越來(lái)越常用的測試方法。

HIL測試系統的架構

HIL測試的理念最初是作為測試航空航天和汽車(chē)工業(yè)復雜控制系統的機制而被提出來(lái)的。在典型的應用中，工程師可以通過(guò)利用HIL測試系統模擬電氣信號和發(fā)動(dòng)機的行為來(lái)測試發(fā)動(dòng)機的電子控制單元(ECU)。在本應用中，該測試系統結合了輸入和輸出(常被稱(chēng)為“I/O”)用模擬和數字模擬接口，以及確定性處理元件，以有效仿真系統(如圖1所示)。

圖1、典型HIL 測試系統方塊圖

近年來(lái)，RF技術(shù)用作關(guān)鍵傳感和通信技術(shù)的趨勢使得很多RF系統工程師開(kāi)始使用相似的測試方法。在典型的RF HIL測試系統中，相對低速的模數轉換器(ADC) 和數模轉換器(DAC) 被替換成了向量信號產(chǎn)生器和分析器。事實(shí)上，這些應用中所使用的HIL測試系統在架構上常常跟軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR) 類(lèi)似。不過(guò)，很多嵌入式處理元件仍保持相同。RF HIL系統的常見(jiàn)應用包括信道仿真、信道測量、實(shí)時(shí)GNSS模擬、雷達目標生成和認知測試。

最令人振奮的實(shí)時(shí)測試應用是車(chē)載雷達測試——既包括其作為單獨產(chǎn)品，又包括其作為更復雜高級駕駛輔助系統(ADAS) 組成的情況?，F代ADAS技術(shù)結合了雷達(傳統上是在24GHz 波段，現在日益朝77和79GHz波段發(fā)展)、攝像機、超聲波和LIDAR 技術(shù)來(lái)感測周?chē)h(huán)境。ADAS設計的復雜度覆蓋了從較為簡(jiǎn)單的盲點(diǎn)偵測報警指示器到全自動(dòng)駕駛系統。雖然今天的很多關(guān)鍵汽車(chē)傳感技術(shù)年代都相對較久遠了(事實(shí)上，首款車(chē)載雷達原型可追溯至1950年代末)，但傳感器尺寸和成本的改進(jìn)以及信號處理技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)讓自動(dòng)駕駛系統變得更為可行。

HIL測試用于車(chē)載雷達應用

雷達傳感器測試需要工程師驗證裝置的電磁特性和功能特性。例如，典型的RF 測量可能包括輸出功率和脈沖線(xiàn)性(通過(guò)解調FMCW輸出進(jìn)行測量)。同樣重要的還有包括測距精度、距離分辨率以及在受干擾情況下檢測物體的能力等功能特性。

為了測試物理和功能特性，雷達測試中越來(lái)越多地使用既可以配置為測量?jì)x器，又可以配置為雷達目標生成器的測試設備。在本例中，測試系統利用其實(shí)時(shí)信號處理元件從根本上讓雷達傳感器相信其看到的一個(gè)物體或目標，而實(shí)際上只不過(guò)是一臺測試設備。這個(gè)過(guò)程，被稱(chēng)為“目標仿真”或“目標生成”，是使用信號處理來(lái)重建物體反彈雷達刺激的電磁響應。

圖2所示為雷達目標生成的兩種方法。第一種方法被稱(chēng)為“被動(dòng)式目標生成”法，即使用一根延遲線(xiàn)模擬雷達刺激的來(lái)回傳播時(shí)間。第二種方法被稱(chēng)為“主動(dòng)式目標模擬”法，即使用HIL 測試系統以數字方式重建雷達系統的環(huán)境。在典型的主動(dòng)式目標模擬器中，由寬帶向量信號分析器接收來(lái)自雷達傳感器的刺激。儀器上載有的嵌入式處理器向模擬距離和都卜勒位移施加延遲作用，以模擬速度。最后，由向量信號產(chǎn)生器將這一數字創(chuàng )建的雷達環(huán)境生成信號，反饋回雷達傳感器。

圖2、被動(dòng)式雷達目標生成器與主動(dòng)式雷達目標生成器

對于給定的應用，根據所模擬的對象類(lèi)型，可以選擇被動(dòng)式雷達目標模擬或主動(dòng)式雷達目標模擬方法。例如，被動(dòng)式模擬器在模擬短距離目標方面性能更好，而主動(dòng)式模擬器則可以模擬更為復雜的駕駛場(chǎng)景，如變道或物體穿過(guò)馬路。

奧迪使用HIL測試助力駕駛測試

NI已經(jīng)聯(lián)手多家領(lǐng)先的汽車(chē)制造商致力于改進(jìn)下一代雷達測試技術(shù)。例如，在德國奧迪公司著(zhù)手開(kāi)發(fā)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的開(kāi)拓性研究工作中，NI最近便與其進(jìn)行了合作。

奧迪團隊認識到，安全和可靠性是新一代自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重點(diǎn)。因此，奧迪采用HIL測試在實(shí)驗室環(huán)境下模擬ADAS系統環(huán)境。通過(guò)在實(shí)驗室模擬典型的駕駛測試，奧迪實(shí)現了在設計過(guò)程中提早改進(jìn)嵌入式軟件可靠性，甚至能夠發(fā)現原本要等到實(shí)際駕駛測試才會(huì )暴露的故障。

圖3所示的奧迪目標仿真系統結合了NI的第二代向量信號收發(fā)器(VST) ，配有專(zhuān)為79GHz雷達頻帶設計的上轉換器和下轉換器。在本場(chǎng)景中，VST起到了軟件無(wú)線(xiàn)電的功能，且使用LabVIEW可編程FPGA能夠為仿真雷達目標執行實(shí)時(shí)信號處理例行程序。奧迪股份公司雷達組件負責人Neils Koch博士表示“PXI VST實(shí)現了寬帶和低時(shí)延軟件的結合，使得我們可以在雷達模塊中發(fā)現原本無(wú)法檢測到關(guān)鍵故障”。

圖3、奧迪主動(dòng)式目標仿真系統方塊圖

ADAS趨勢

展望未來(lái)，結合多重傳感技術(shù)，利用每個(gè)技術(shù)的比較優(yōu)勢是ADAS設計的大勢所趨。例如，在測量物體距離(甚至是在夜間或多霧條件下)方面，雷達通常都是最精確的技術(shù)。然而，基于攝像頭的圖像識別在確定物體的準確位置方面則更為精準。通過(guò)將多種傳感器的輸入整合入“傳感器融合”架構，能夠提升ADAS 感測周?chē)h(huán)境的能力(如圖4所示)。

圖4、自動(dòng)駕駛汽車(chē)集成多重傳感技術(shù)

傳感器融合，加上對將諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法用于對象檢測的依賴(lài)性的提升，將長(cháng)期持續提升嵌入式軟件測試的重要性。未來(lái)，工程師將更多地將雷達測試與高度同步且極其靈活的HIL測試系統內的其它嵌入式傳感器技術(shù)相結合。

RF HIL測試的其它應用

雖然雷達目標仿真是一項短期來(lái)看很可能影響消費者的HIL應用，但這卻只是RF HIL測試新興應用的一個(gè)方面。例如，在國防工業(yè)，工程師采用相似的測試策略模擬先進(jìn)電子環(huán)境。此外，在無(wú)線(xiàn)產(chǎn)業(yè)，工程師也將相似的HIL技術(shù)用于越來(lái)越復雜的實(shí)時(shí)信道測量。

如今的RF HIL測試系統與工程師在5G通信系統原型化方面所使用的高級軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在架構上驚人地相似。與雷達目標仿真相似，實(shí)時(shí)對刺激信號進(jìn)行解譯和反應必須具備寬帶RF前端和密集型信號處理元件。因此，諸如諾基亞、英特爾和三星等公司實(shí)現5G系統原型化的諸多相同技術(shù)創(chuàng )新與更廣泛的RF HIL測試應用其實(shí)是相同的技術(shù)。

結論

諸如自動(dòng)駕駛汽車(chē)等日益復雜的系統正快速改寫(xiě)測試和測量設備供應商設計儀器所必須遵循的規則。過(guò)去，儀器只是報告信號模擬特性的機制。如今，儀器還被用來(lái)報告系統的功能特征。今后，軟件技術(shù)將成為工程師構建越來(lái)越復雜的測量系統，以報告從最簡(jiǎn)單的RF組件到全自動(dòng)駕駛汽車(chē)特性的關(guān)鍵技術(shù)。對于測試設備供應商而言，軟件仍是關(guān)鍵的投資領(lǐng)域，且通過(guò)軟件區分產(chǎn)品的能力將最終定義行業(yè)內誰(shuí)輸誰(shuí)贏(yíng)。