第二講，本節簡要介紹HIL的歷史，并介紹什么是實時系統，閱讀本節之后，讀者應學會自行分析自己的測試對象，看看需要不需要實時系統，以及，需要什么樣的實時系統，還可以對自己的測試對象的實時性，做一些簡單的評估。

上一節我們總體上聊了本系列文章的目的，從本講開始，我們進入正題。本節，我們聊聊HIL系統的起源，以及什么是實時系統。

HIL系統很厲害，但是它是怎么誕生的呢？

我們假設該偏文章的讀者都具有單片機的概念（汽車上的控制器就是一個加強型的單片機），那么回想一下，大學時候，我們是怎么在硬件層次上測試單片機呢？

一般都是，從淘寶上買個開發板或者自己做一個開發板，把代碼燒進去之后，把單片機外設的IO輸入用導線印出來，把導線的另一端跟電源或者地點觸一下又一下，跟電焊似的，創造數字信號輸入，看單片機的反應如何。對于單片機的輸出，我們一般是拿個示波器測試PWM波，或者拿個萬用表測數字量輸出。總之，單片機需要什么，我們就給它創造什么，單片機輸出什么，我們就想辦法檢測什么。

上個世紀80年代之前，全世界范圍內還沒有新能源車，燃油車上的控制器也很少，沒有ABS、ESP、SPB、氣囊、ADAS、雨量傳感器……，汽車控制器的開發還是很簡單的，所以，還是勉強可以按大學單片機的做法來開發的。但也正是上個世紀80年代起，汽車技術蓬勃發展，大量的新技術和電子產品開始引入到汽車中，整車的復雜度大大提升，這在提高了汽車的安全性、舒適性的同時，也大大增加了汽車開發的工作量，開發周期變得更長了。

在這個時候，在汽車起源的地方，銳意進取的日耳曼人再一次走在了世界的前列，Herbert Hanselmann博士在University of Paderborn成立了dSPACE公司，并同時發布了兩款劃時代的產品：快速原型、HIL。附圖一張創始人的畫像：

這兩個產品相互合作，完美解決了當時乃至今天仍然存在的兩大難題：1、我做好了軟件，但是硬件還需時日，樣車快下線了，怎么能找一個控制器，把軟件燒進去，裝到車上代替我的硬件，先頂一下，別耽誤車輛進度；2、我的軟件、硬件都做好了，軟件也燒進去了，在裝車之前，我想先在測試環境中對它進行細致地檢查和測試（畢竟在車上很難創造各種邏輯條件，覆蓋率較低），最好能讓我覺得像是真的在操作一輛車。

dSPACE公司是HIL產品乃至HIL概念的發明者，時至今日仍是這個領域全球最優秀的選手，追隨者、模仿者有一大批，比如ETAS、NI，以及其他一眾叫不上來名字的小公司。師子一號的此系列文章，只聊HIL，快速原型不談。

當年，dSPACE的HIL，主要是針對發動機控制器（Engine Control Unit）ECU的，所以，當下全世界大多數HIL設備，都帶有發動機的靈魂，冥想起來，似乎有一股淡淡的汽油味。整車模型、故障注入、實時系統……這些概念全部都是因為當年測試發動機而搞出來的，針對發動機控制器ECU盾測試，這些東西基本上都是是必須的。

先說第一個，什么是HIL領域的實時系統？師子一號對它的定義為：操作系統控制板卡輸出或者輸入信號，最大時延是可控的，這就是實時系統。它和“運行速度快”不是一個概念，強調的是可靠性可控性。我們打個比方，公司八點半上班，有兩位員工，都挺勤快，甲每天大概都是8點20到，乙在多數情況下，都是8點10分之前到。但是，甲從來沒有遲到過，最遲也是8點29，而且，我們分析甲的起床時間，通勤方式……也確實相信他以后也不大可能會遲到；而乙，就不是了，他在多數情況下都能早早到公司，但他偶爾會遲到，甚至，下大雪了時候，還可能會臨時請假甚至曠工。

在這個例子中，8點30，就是最大時延，也是判斷在該場景下是不是實時系統的標準，實時系統是相對某一標準而言的，一個系統在汽車行業是實時的，到了航天領域可能就不是實時的了。很明顯，甲員工就是實時系統，而乙不是。

實時系統主要有linux－RT、Vxworks等類型。

那，為什么發動機ECU測試需要實時系統呢？答案在于ECU處理的信號很特殊，氧傳感器、爆震傳感器、曲軸凸輪軸位置傳感器；點火控制……這些都是以一定頻率變化的，假如，我們想通過板卡的pin，輸出給ECU的某一輸入pin下圖所示的信號（橫軸代表時間，數軸代表電壓），當然，這是理想信號。

如果我們采用實時系統，那，我們雖然不能保證信號的實際時序曲線和圖中完全一樣，但能保證是在它可控的附近，從而滿足ECU對該信號的時間延遲的定義及要求，確保ECU不報故障（這些故障是ECU實現定義好的、ECU軟件已經實現了）；如果我們采用非實時的單核系統，則有可能當我們在這個系統上同時進行別的操作時，比如用matlab進行仿真分析，導致進程擁塞，上圖某個點的信號出現較大時間后延，超出了ECU的時延，從而導致ECU報了故障。

而且，請讀者注意一點，上圖這個周期為6．28秒，一周期變化20次的信號，靠人工操作是不可能實現的，必須通過軟件，而且是運行在實時系統上的軟件。這個所謂的軟件，就是“整車模型”的一部分。下一講師子一號將會詳細說說什么是整車模型。

上面這個例子，清晰展示了所謂實時系統的作用。當年dSPACE公司大力推行實時系統，是因為沒它不行，而且多核處理器還沒有出生。所以，HIL系統就成了那副樣子，兩個主機，一個主機裝上實時系統，成了一個大號的單片機，然后用它作為標準，去給另一個增強型的迷你單片機提供輸入輸出信號；另一個主機是一個普通PC，做一些文檔編輯、測試用例設計操作的工作，兩個主機之間一般通過網線通訊。

可是，時代是會變化的，CPU、操作系統的技術也是不斷升級的，現在的多核CPU，已經完全可以通過軟件對普通windows系統進行實時化，不再需要兩臺獨立主機了。而且，并不是所有的控制器都像ECU那樣，有這種高時間特性的信號，需要實時系統來測試。比如VCU、HCU、BMS、BCM、FCU、網關……普通的單機win7系統完全綽綽有余。

我們需要實時系統，是因為，如果信號延遲了，被測對象要報錯，基本無法再正常工作。而這樣的“報錯”，對被測對象而言，是一個正常且必須的功能。所以，看看被測對象是否有這樣的“時延檢測”功能，是我們判斷是否需要實時系統的最重要的依據。

經綜合考慮，本系列文章主要講單主機普通PC、WIN7系統的HIL，和雙主機的HIL。普通win7系統的實時化技術，可以成本極低的實時系統，但在汽車行業比較小眾，不做介紹，讀者可自行研究。

可是，為什么“兩臺主機”這種架構的HIL系統，仍然是HIL供應商力推的呢？哪怕你測個BCM，也給你推銷這種架構。因為，看起來很龐大，可以擴大消費，提高GDP…

審核編輯 黃昊宇