使用NI VeriStand實(shí)現(xiàn)汽車(chē)ECU的HIL測(cè)試

 “NI VeriStand與NI PXI平臺(tái)的結(jié)合滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)I/O、計(jì)算能力、信號(hào)仿真和數(shù)據(jù)分析等功能的需求，而且是完全開(kāi)放和模塊化的。”–Enrico Corti, Alma Automotive.

 挑戰(zhàn)：

基于商業(yè)現(xiàn)成(COTS)的硬件，為發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)的實(shí)時(shí)仿真開(kāi)發(fā)一個(gè)模塊化的硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試系統(tǒng)，以減少嵌入式軟件驗(yàn)證過(guò)程中所需要的實(shí)物測(cè)試次數(shù)。

 解決方案：

基于NI VeriStand實(shí)時(shí)測(cè)試軟件和NI PXI硬件的測(cè)試系統(tǒng)提供了用戶(hù)所需的計(jì)算能力，可以利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)硬件實(shí)現(xiàn)高速控制，同時(shí)，各種不同的I/O不僅能保證該HIL系統(tǒng)可以滿(mǎn)足當(dāng)前的需求，而且可進(jìn)行功能擴(kuò)展以滿(mǎn)足未來(lái)的應(yīng)用需求。

  Alma Automotive是一家總部設(shè)在意大利北部的公司，為汽車(chē)的校準(zhǔn)、控制和測(cè)試提供定制的解決方案。Alma Automotive根據(jù)客戶(hù)的需求，提供純軟件（模型或基于模型的分析），或集成硬件和軟件的解決方案。Eldor公司提供汽車(chē)電子組件，如線(xiàn)圈、傳感器系統(tǒng)和電子控制單元(ECU)。

 因?yàn)镠IL系統(tǒng)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，所以它們是ECU測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)市場(chǎng)上可用的HIL系統(tǒng)提供的是不能擴(kuò)展或定制的標(biāo)準(zhǔn)功能，Eldor公司選擇了由Alma汽車(chē)公司提出的HIL解決方案，因?yàn)樵摲桨傅挠布蛙浖情_(kāi)放的，并可以完全根據(jù)他們的需求定制。

 HIL系統(tǒng)所仿真的是由ECU控制的設(shè)備，所有進(jìn)入ECU的實(shí)際信號(hào)必須由HIL測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)代替。因?yàn)槟繕?biāo)是測(cè)試ECU的功能，所以仿真必須實(shí)時(shí)運(yùn)行。模型必須精確地對(duì)ECU命令進(jìn)行響應(yīng)，以測(cè)試整個(gè)嵌入式控制系統(tǒng)。對(duì)于某些類(lèi)型的信號(hào)，復(fù)現(xiàn)一個(gè)正確的時(shí)基是很困難的，因?yàn)楦哳l率的信號(hào)需要與曲軸的瞬時(shí)位置同步。這種典型的例子包括缸內(nèi)壓力、加速度計(jì)、離子電流和進(jìn)氣壓力信號(hào)。

 目前市場(chǎng)上有很多的HIL系統(tǒng)可供選擇。大多數(shù)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是缺乏對(duì)HIL供應(yīng)商所提供的基礎(chǔ)函數(shù)庫(kù)進(jìn)行定制的工具，很難訪(fǎng)問(wèn)底層（類(lèi)似FPGA）函數(shù)，因此這些系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足顧客的需求。

 NI VeriStand與NI PXI平臺(tái)的結(jié)合滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)I/O、計(jì)算能力、信號(hào)仿真和數(shù)據(jù)分析等功能的需求，而且是完全開(kāi)放和模塊化的。決定該應(yīng)用成功的兩個(gè)關(guān)鍵因素是：充分利用了 NI LabVIEW FPGA模塊創(chuàng)建復(fù)雜FPGA代碼的能力和創(chuàng)建了一個(gè)自定義設(shè)備來(lái)輸出凸輪軸、曲軸、進(jìn)氣門(mén)、傳感器電流和缸內(nèi)壓力信號(hào)。

 由Alma Automotive公司提出的HIL系統(tǒng)（圖1）集成了以下硬件和軟件組件：

Ÿ           用PXI實(shí)時(shí)控制器開(kāi)發(fā)的一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)/車(chē)輛(摩托車(chē))/駕駛員模型，該控制器的步長(zhǎng)時(shí)間為500µs，單核CPU負(fù)荷為20%；

Ÿ           用自定義設(shè)備實(shí)現(xiàn)的一個(gè)高帶寬信號(hào)發(fā)生器，該自定義設(shè)備用來(lái)產(chǎn)生基于模型的曲軸、凸輪軸、進(jìn)氣門(mén)、缸內(nèi)壓力和離子電流信號(hào)，也用來(lái)獲取所有的ECU輸出指令，包括點(diǎn)火、噴射、H橋和中斷燈等指令。該自定義設(shè)備是用7852R板卡實(shí)現(xiàn)的。

Ÿ           由Alma Automotive公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一個(gè)自定義的I/O信號(hào)調(diào)理板，將ECU模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)TL數(shù)字信號(hào)，并在必要時(shí)增強(qiáng)PXI 6723的模擬輸出信號(hào)(可變磁阻信號(hào)，VRS)。

Ÿ           由Alma Automotive公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一個(gè)自定義的執(zhí)行器和傳感器故障插入單元(FIU)和一個(gè)可以提供96路信號(hào)的外置接線(xiàn)盒。

Figure 1: HIL System Integration

圖1 HIL系統(tǒng)集成

 車(chē)輛仿真模式可用于開(kāi)環(huán)（用戶(hù)駕駛車(chē)輛）或閉環(huán)仿真（駕駛員遵照車(chē)輛速度軌跡）。測(cè)功機(jī)模式也可以模擬試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀況。發(fā)動(dòng)機(jī)采用多變量扭矩圖建立模型，該子模型輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、空氣/燃料比和其它參數(shù)。這些輸出發(fā)送到定制的設(shè)備以產(chǎn)生高頻信號(hào)，如進(jìn)氣壓力信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩用來(lái)提供車(chē)輛和變速器子模型，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組件。發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛速度是基于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、離合器位置、插入式齒輪、輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和前后輪上的實(shí)際載荷來(lái)計(jì)算的。

 駕駛員子模型通過(guò)基于扭矩的控制邏輯來(lái)操縱方向盤(pán)、剎車(chē)、離合器和換擋，而測(cè)功機(jī)子模型計(jì)算所提供的扭矩以保持發(fā)動(dòng)機(jī)在要求的轉(zhuǎn)速和負(fù)載工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。還有一個(gè)熱交換子模型來(lái)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度；電氣系統(tǒng)子模型使用戶(hù)可以模擬啟動(dòng)器和啟動(dòng)期間的電池電壓水平。

系統(tǒng)的核心是由Alma Automotive公司設(shè)計(jì)的NI VeriStand自定義設(shè)備插件。該插件是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)I/O子系統(tǒng)模擬器，可以產(chǎn)生雙通道的VRS/霍爾傳感器信號(hào)，信號(hào)調(diào)理后的電壓峰峰值達(dá)120V、基于角度的可配置波形和4通道車(chē)輪信號(hào)。它還獲取12通道的調(diào)理高電壓ECU激勵(lì)信號(hào)；16通道的通用高電壓ECU輸出信號(hào)，如開(kāi)/關(guān)，頻率和PWM；8通道的被調(diào)理至120V峰峰值范圍內(nèi)的模擬輸入信號(hào)。圖2顯示了該自定義設(shè)備的設(shè)置界面。傳感器輪的齒數(shù)和傳感器輪的類(lèi)型完全可配置。

圖2 自定義的曲軸參考信號(hào)發(fā)生器設(shè)備

由Alma Automotive開(kāi)發(fā)的FIU也是基于FPGA，它使用FPGA來(lái)處理400多路需要操作開(kāi)關(guān)的信號(hào)。FPGA的確定性允許在系統(tǒng)中設(shè)定安全功能，包括用戶(hù)定義的故障超時(shí)、全局FIU禁用和故障總線(xiàn)上的過(guò)電流監(jiān)測(cè)。先合后斷的FIU操作通過(guò)用戶(hù)可配置的負(fù)載釋放延遲，來(lái)防止故障通道中的不明確狀態(tài)。

由Alma Automotive開(kāi)發(fā)的FIU，在電源的最大電流限制為2A的情況下，可以處理64個(gè)通道，可以訪(fǎng)問(wèn)四個(gè)通用的故障總線(xiàn)。開(kāi)路GND、Vcc和VBATT可當(dāng)作電源使用。開(kāi)關(guān)狀態(tài)的反饋信息可以通過(guò)320個(gè)LED獲得。

 用戶(hù)既可以連接實(shí)際負(fù)載，也可以連接仿真負(fù)載。當(dāng)使用實(shí)際負(fù)載時(shí)，如節(jié)氣閥時(shí)，仿真系統(tǒng)就會(huì)讀取反饋傳感器如節(jié)氣閥電位計(jì)的信息并供給模型。當(dāng)使用仿真負(fù)載時(shí)，如虛擬節(jié)氣閥時(shí)，反饋信號(hào)由仿真器產(chǎn)生，如模擬輸出通道，并發(fā)送給ECU。實(shí)際負(fù)載與仿真負(fù)載之間的切換通過(guò)移動(dòng)外置接線(xiàn)盒上的跳線(xiàn)來(lái)完成。

該系統(tǒng)成功地與目標(biāo)ECU進(jìn)行了連接，圖3顯示了一個(gè)典型的用于HIL測(cè)試的NI VeriStand界面。

圖3 HIL測(cè)試控制面板

 用戶(hù)可以使用現(xiàn)有的方法和臺(tái)架測(cè)試模式著重驗(yàn)證所有ECU的軟件和硬件功能。使用和配置非常方便，用戶(hù)可以直接進(jìn)行系統(tǒng)重新配置而不需要請(qǐng)求客戶(hù)支持。NI PXI平臺(tái)適合與第三方的定制開(kāi)發(fā)板集成。

 HIL測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件能夠根據(jù)需求不斷更新，這一點(diǎn)非常重要。因?yàn)镹I PXI硬件是模塊化的，并基于COTS組件，所以它可以很容易地升級(jí)，這就保證了系統(tǒng)在將來(lái)也會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)并保證技術(shù)領(lǐng)先。NI VeriStand具有開(kāi)放的架構(gòu)，易與LabVIEW和其它開(kāi)發(fā)軟件集成，因此提供了必要的靈活性以應(yīng)對(duì)隨著測(cè)試要求改變可能出現(xiàn)的任何挑戰(zhàn)。