射頻硬件在環(huán)技術(shù)推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展

隨著無線技術(shù)更多地嵌入諸如車載雷達(dá)和機(jī)器對機(jī)器通信等“關(guān)鍵任務(wù)”應(yīng)用中，新的測試方法也相應(yīng)出現(xiàn)，以確保系統(tǒng)的可靠性。其中一種RF驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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。今天，小編就將帶你透過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(rèn)為測試工程師可以創(chuàng)建出測試系統(tǒng)，以仿真現(xiàn)實(shí)世界中典型存在實(shí)體系統(tǒng)，這并非是新的理念。然而，RF技術(shù)在諸如車載雷達(dá)等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的日益普及，使得HIL測試成為無線應(yīng)用越來越常用的測試方法。

HIL測試系統(tǒng)的架構(gòu)

HIL測試的理念最初是作為測試航空航天和汽車工業(yè)復(fù)雜控制系統(tǒng)的機(jī)制而被提出來的。在典型的應(yīng)用中，工程師可以通過利用HIL測試系統(tǒng)模擬電氣信號和發(fā)動(dòng)機(jī)的行為來測試發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元(ECU)。在本應(yīng)用中，該測試系統(tǒng)結(jié)合了輸入和輸出(常被稱為“I/O”)用模擬和數(shù)字模擬接口，以及確定性處理元件，以有效仿真系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1、典型HIL 測試系統(tǒng)方塊圖

近年來，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(tǒng)工程師開始使用相似的測試方法。在典型的RF HIL測試系統(tǒng)中，相對低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)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(yīng)用中所使用的HIL測試系統(tǒng)在架構(gòu)上常常跟軟件無線電(SDR) 類似。不過，很多嵌入式處理元件仍保持相同。RF HIL系統(tǒng)的常見應(yīng)用包括信道仿真、信道測量、實(shí)時(shí)GNSS模擬、雷達(dá)目標(biāo)生成和認(rèn)知測試。

最令人振奮的實(shí)時(shí)測試應(yīng)用是車載雷達(dá)測試——既包括其作為單獨(dú)產(chǎn)品，又包括其作為更復(fù)雜高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 組成的情況?，F(xiàn)代ADAS技術(shù)結(jié)合了雷達(dá)(傳統(tǒng)上是在24GHz 波段，現(xiàn)在日益朝77和79GHz波段發(fā)展)、攝像機(jī)、超聲波和LIDAR 技術(shù)來感測周圍環(huán)境。ADAS設(shè)計(jì)的復(fù)雜度覆蓋了從較為簡單的盲點(diǎn)偵測報(bào)警指示器到全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。雖然今天的很多關(guān)鍵汽車傳感技術(shù)年代都相對較久遠(yuǎn)了(事實(shí)上，首款車載雷達(dá)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(tǒng)變得更為可行。

HIL測試用于車載雷達(dá)應(yīng)用

雷達(dá)傳感器測試需要工程師驗(yàn)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性(通過解調(diào)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(dá)測試中越來越多地使用既可以配置為測量儀器，又可以配置為雷達(dá)目標(biāo)生成器的測試設(shè)備。在本例中，測試系統(tǒng)利用其實(shí)時(shí)信號處理元件從根本上讓雷達(dá)傳感器相信其看到的一個(gè)物體或目標(biāo)，而實(shí)際上只不過是一臺(tái)測試設(shè)備。這個(gè)過程，被稱為“目標(biāo)仿真”或“目標(biāo)生成”，是使用信號處理來重建物體反彈雷達(dá)刺激的電磁響應(yīng)。

圖2所示為雷達(dá)目標(biāo)生成的兩種方法。第一種方法被稱為“被動(dòng)式目標(biāo)生成”法，即使用一根延遲線模擬雷達(dá)刺激的來回傳播時(shí)間。第二種方法被稱為“主動(dòng)式目標(biāo)模擬”法，即使用HIL 測試系統(tǒng)以數(shù)字方式重建雷達(dá)系統(tǒng)的環(huán)境。在典型的主動(dòng)式目標(biāo)模擬器中，由寬帶向量信號分析器接收來自雷達(dá)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(shù)字創(chuàng)建的雷達(dá)環(huán)境生成信號，反饋回雷達(dá)傳感器。

圖2、被動(dòng)式雷達(dá)目標(biāo)生成器與主動(dòng)式雷達(dá)目標(biāo)生成器

對于給定的應(yīng)用，根據(jù)所模擬的對象類型，可以選擇被動(dòng)式雷達(dá)目標(biāo)模擬或主動(dòng)式雷達(dá)目標(biāo)模擬方法。例如，被動(dòng)式模擬器在模擬短距離目標(biāo)方面性能更好，而主動(dòng)式模擬器則可以模擬更為復(fù)雜的駕駛場景，如變道或物體穿過馬路。

奧迪使用HIL測試助力駕駛測試

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

奧迪團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，安全和可靠性是新一代自動(dòng)駕駛汽車的重點(diǎn)。因此，奧迪采用HIL測試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬ADAS系統(tǒng)環(huán)境。通過在實(shí)驗(yàn)室模擬典型的駕駛測試，奧迪實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)過程中提早改進(jìn)嵌入式軟件可靠性，甚至能夠發(fā)現(xiàn)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(biāo)仿真系統(tǒng)結(jié)合了NI的第二代向量信號收發(fā)器(VST) ，配有專為79GHz雷達(dá)頻帶設(shè)計(jì)的上轉(zhuǎn)換器和下轉(zhuǎn)換器。在本場景中，VST起到了軟件無線電的功能，且使用LabVIEW可編程FPGA能夠?yàn)榉抡胬走_(dá)目標(biāo)執(zhí)行實(shí)時(shí)信號處理例行程序。奧迪股份公司雷達(dá)組件負(fù)責(zé)人Neils Koch博士表示“PXI VST實(shí)現(xiàn)了寬帶和低時(shí)延軟件的結(jié)合，使得我們可以在雷達(dá)模塊中發(fā)現(xiàn)原本無法檢測到關(guān)鍵故障”。

圖3、奧迪主動(dòng)式目標(biāo)仿真系統(tǒng)方塊圖

ADAS趨勢

展望未來，結(jié)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(shè)計(jì)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(dá)通常都是最精確的技術(shù)。然而，基于攝像頭的圖像識(shí)別在確定物體的準(zhǔn)確位置方面則更為精準(zhǔn)。通過將多種傳感器的輸入整合入“傳感器融合”架構(gòu)，能夠提升ADAS 感測周圍環(huán)境的能力(如圖4所示)。

圖4、自動(dòng)駕駛汽車集成多重傳感技術(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性的提升，將長期持續(xù)提升嵌入式軟件測試的重要性。未來，工程師將更多地將雷達(dá)測試與高度同步且極其靈活的HIL測試系統(tǒng)內(nèi)的其它嵌入式傳感器技術(shù)相結(jié)合。

RF HIL測試的其它應(yīng)用

雖然雷達(dá)目標(biāo)仿真是一項(xiàng)短期來看很可能影響消費(fèi)者的HIL應(yīng)用，但這卻只是RF HIL測試新興應(yīng)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，在無線產(chǎn)業(yè)，工程師也將相似的HIL技術(shù)用于越來越復(fù)雜的實(shí)時(shí)信道測量。

如今的RF HIL測試系統(tǒng)與工程師在5G通信系統(tǒng)原型化方面所使用的高級軟件無線電技術(shù)在架構(gòu)上驚人地相似。與雷達(dá)目標(biāo)仿真相似，實(shí)時(shí)對刺激信號進(jìn)行解譯和反應(yīng)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(xiàn)5G系統(tǒng)原型化的諸多相同技術(shù)創(chuàng)新與更廣泛的RF HIL測試應(yīng)用其實(shí)是相同的技術(shù)。

結(jié)論

諸如自動(dòng)駕駛汽車等日益復(fù)雜的系統(tǒng)正快速改寫測試和測量設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計(jì)儀器所必須遵循的規(guī)則。過去，儀器只是報(bào)告信號模擬特性的機(jī)制。如今，儀器還被用來報(bào)告系統(tǒng)的功能特征。今后，軟件技術(shù)將成為工程師構(gòu)建越來越復(fù)雜的測量系統(tǒng)，以報(bào)告從最簡單的RF組件到全自動(dòng)駕駛汽車特性的關(guān)鍵技術(shù)。對于測試設(shè)備供應(yīng)商而言，軟件仍是關(guān)鍵的投資領(lǐng)域，且通過軟件區(qū)分產(chǎn)品的能力將最終定義行業(yè)內(nèi)誰輸誰贏。