引言
當今汽車行業(yè)，法規(guī)對安全性、動力性、舒適性、排放等提出了日益嚴格的要求，而這些性能又很大程度受ECU性能和質量的影響。因此在汽車中，ECU不僅數量持續(xù)上升，其功能也不斷增強。在汽車中，分單個ECU系統(tǒng)和多個ECU互聯系統(tǒng)，前者如安全氣囊ECU，后者如發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS) ECU。EMS涉及數千個參數和多個電子設備，而且這些參數之間存在數據共享和傳遞，需要通過不同的汽車總線將各個電子設備互聯，以形成車載網絡，并完成復雜的智能控制和故障診斷。ECU復雜性和功能性不斷增加，為確保最終產品質量，需要通過自動化測試手段來減少從定義、分析、設計到實現不同產品周期環(huán)節(jié)的人為失誤。此外，還面臨如何在最短的開發(fā)周期內以最經濟的成本將產品推向市場的挑戰(zhàn)。
控制器開發(fā)“V”模式
經過多年探索，業(yè)界普遍采用基于計算機模型的控制器開發(fā)“V
”模式，如圖1所示。該模式可以很大程度地減少反復過程、縮短開發(fā)周期，以節(jié)省成本。該模式除應用于汽車用ECU開發(fā)外，也已成功應用到航空、國防、“白色”家電、醫(yī)療設備、工業(yè)過程控制等領域。下面按照“V”模式圖橫向對應的先后環(huán)節(jié)順序作簡單闡述。
系統(tǒng)定義：根據控制系統(tǒng)設計要求，完成設計規(guī)范，如控制算法、控制對象參數等。往往需要以往的設計經驗、試驗數據作參考。
設計、仿真：根據控制系統(tǒng)定義，將整個系統(tǒng)在計算機軟件環(huán)境下實現，即對控制器的控制邏輯、控制對象環(huán)境進行建模仿真，以幫助設計者在先期就對系統(tǒng)指標、誤差等進行快速評估。仿真工具主要有NI LabVIEW、The MathWorks, Inc. Simulink®、MATRIXx等。其中LabVIEW允許設計者在圖形化環(huán)境中借助提供的控制仿真模塊對控制系統(tǒng)進行建模和動態(tài)仿真，又可集成第三方軟件開發(fā)的模型和代碼，包括The MathWorks, Inc. Simulink®、MSC CarSim，甚至C代碼。MATRXx則提供一整套系統(tǒng)設計仿真工具，尤其適合開發(fā)和管理大型的、復雜的模型。
圖1 控制器開發(fā)“V”模式圖
快速原型：在這里，快速控制原型(Rapid Control Prototype，簡稱快速原型)概念區(qū)別于機械制造中根據CAD數據自動構建物理模型的快速成型技術。因為軟件仿真不能完全體現實際的動態(tài)環(huán)境，需要開發(fā)一個控制器硬件原型用以在真實環(huán)境下驗證算法，即將控制器模型下載到一個實時硬件平臺，并通過I/O連接至真實環(huán)境中的傳感器、執(zhí)行器并進行測試，該過程即快速原型，也常稱為軟件在環(huán)。選用實時硬件平臺是為了仿真的時效性、確定性和穩(wěn)定性。
代碼生成與軟件測試：控制器模型在通過快速原型環(huán)節(jié)驗證之后，將該模型自動或手工生成C代碼或其它支持類型的代碼，并下載到ECU的微控制器。并對所產生的目標代碼進行測試。
硬件在環(huán)：硬件在環(huán)(Hardware in the Loop)是指將已下載目標代碼的ECU通過I/O連接至先前建立的環(huán)境模型(硬件在環(huán)仿真器)，并測試該ECU在各種工況下的功能性和穩(wěn)定性。硬件在環(huán)是一個閉環(huán)的測試系統(tǒng)，可重復地進行動態(tài)仿真;可在試驗室里仿真夏季和冬季的道路試驗，無需真實的測試環(huán)境組件，節(jié)約測試成本;可進行臨界條件測試和模擬極限工況，如發(fā)動機水溫和油溫、ABS試驗時車速和道路附著系數，沒有實際風險;并可通過軟件(模型)、硬件(故障輸入模塊)來模擬開路、與地短接、ECU引腳間短接等錯誤，以及模擬傳感器、執(zhí)行器出錯情況。
系統(tǒng)標定和測試：在完成關鍵的硬件在環(huán)之后，將修正后的控制器連接至真實I/O環(huán)境，并進行臺架試驗、道路試驗，直至最后生產出廠。
以上控制器開發(fā)“V”模式符合國際汽車行業(yè)標準(ASAM/ASAP)，已在諸多著名汽車電子廠家中獲得成功?？焖僭秃陀布诃h(huán)是控制器開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，目前針對這兩個環(huán)節(jié)的解決方案普遍面臨成本高的不足。NI根據控制系統(tǒng)的復雜度和I/O數目，為快速原型和硬件在環(huán)測試提供不同的、低成本的解決方案。比如對于面向控制算法相對簡單、I/O數目相對較少的車身電子控制的ECU，可選擇CompactRIO平臺進行ECU快速原型和硬件在環(huán)測試;針對較為復雜的動力總成系統(tǒng)和主動懸架系統(tǒng)，可選用PXI實時系統(tǒng)平臺。上述平臺均具有開發(fā)時間短、通用性、可擴展性、低成本的特點;并在國內外獲得了廣泛應用，如MicroNova，Wineman Technology，KGC，Averna，KPIT Cummins等成功地為整車廠提供了解決方案;在國內，如上海大眾某車型全車多個ECU硬件在環(huán)測試是在NI PXI平臺下實現的。
下面舉兩個例子來說明NI軟硬件平臺在控制器快速原型和硬件在環(huán)中的應用。
應用舉例一：Yamaha摩托車控制系統(tǒng)快速原型測試
美國Drivven公司承擔為Yamaha YZF-R6 摩托車開發(fā)發(fā)動機控制系統(tǒng)原型項目。項目要求：毫秒級的控制器模型循環(huán)時間;微妙級的噴油和點火正時;并考慮摩托車空間受限、設備供電等因素。
Drivven在經過市場調查之后，最終選擇NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)平臺。該平臺包括實時嵌入式控制器、內置FPGA芯片的機箱以及內置信號調理的模塊。整個系統(tǒng)具有小型、堅固、9-35V直流供電，適應復雜的測試環(huán)境和有限的測試空間。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心，但設計者借助LabVIEW FPGA模塊，無須硬件描述語言和相關專業(yè)知識，便可在WINDOWS操作系統(tǒng)上用圖形化方法開發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載。該平臺又是一個開放的平臺，既可選用現成的針對不同信號類型的模塊，又可自己開發(fā)自定義模塊。Drivven根據項目需求，開發(fā)
了模數混合模塊、燃料噴射模塊、氧傳感器模塊、可變磁阻和霍爾模塊等。
通過LabVIEW實時模塊編程實現高性能賽車常用的速度密度法和節(jié)氣門開度速度法組合控制策略。速度密度法是指利用發(fā)動機轉速和進氣密度來計算各缸進氣量，系統(tǒng)驅動噴油器提供所需的油量，以滿足各種節(jié)氣門狀態(tài)下的理論空燃比要求和在節(jié)氣門全開情況下的最大扭矩需求，應用于低轉速、低負荷工況。節(jié)氣門開度速度法是指根據兩者參數值在二維圖表上查找空氣質量經驗值。
將CompactRIO原型平臺布置在該摩托車上，進行試驗，系統(tǒng)和程序界面如圖2、圖3所示。試驗結果表明：發(fā)動機轉速可高達15500RPM;能很好地實現噴油、點火正時等策略。同時，實時控制器可記錄下試驗過程中包括進氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節(jié)氣門位置、噴油初始角、點火提前角等參數。Drivven公司總裁Carroll G. Dase表示：“和過去類似項目相比，利用CompactRIO平臺從過去兩人一年的工作量并耗費50萬美金下降到三人一個月的工作量且只需花費15000美金。”
圖2 發(fā)動機控制器硬件原型
圖3 發(fā)動機原型上位機測試界面
應用舉例二：MicroNova發(fā)動機硬件在環(huán)測試
德國MicroNova公司面臨在短時間內開發(fā)緊湊的、高精度的板卡用于汽車發(fā)動機管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測試，要求能夠仿真2缸、4缸、6缸和12缸完整的測試環(huán)境的項目需求。
基于對PXI平臺模塊化、靈活性的了解，MicroNova選擇了NI PXI平臺，包含PXI-8196實時嵌入式控制器、PXI-7831 FPGA板卡、PXI-6723模擬輸出板卡以及PXI CAN模塊。其中，PXI-7831是能提供模擬的輸入輸出、數字的輸入輸出、PWM生成和測量的標準板卡，并可通過LabVIEW FPGA編程實現曲軸、凸輪軸、爆震、點火等非標準信號。通過LabVIEW仿真接口工具包集成已有的在Simulink環(huán)境下開發(fā)的仿真器模型，協(xié)同TESIS DYNAware提供的發(fā)動機模組來構建虛擬的測試環(huán)境，并運行于PXI實時控制器中。MicroNova開發(fā)了信號調理模塊，對信號大小、I/U、U/I、U/R等進行調理，以滿足類似ECU電流在休眠模式下為幾個μA，而工作模式時可達50 A的需求。此外，系統(tǒng)還包括Magneti Marelli ECU、故障輸入模塊和真實負載。
整個硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的軟件架構如圖4所示，包括FPGA目標、實時系統(tǒng)和上位機三個部分，其中上位機為用戶操作界面和自動化測試管理程序。該系統(tǒng)具有小型化、高精度、開發(fā)時間短、低成本的特點。不僅可直接使用已有的模型、接口板等;又可根據系統(tǒng)需求進行模塊替換或擴展;板載FPGA便于實現靈活的可重復配置，但無需復雜的軟件硬件知識;通過PXI背板總線實現數量眾多的I/O在不同的總線速度下同步。
圖4 MicroNova發(fā)動機硬件在環(huán)測試軟件架構
該平臺已成功用作BMW某12缸直噴發(fā)動機的硬件在環(huán)仿真器;還可用于其它不同系列發(fā)動機，如：含可變氣門驅動、可調式凸輪軸控制、直噴技術的V-12和6缸直列發(fā)動機;帶渦輪增壓、空氣中冷4缸直列共軌柴油機;用于摩托車的進氣管噴射、2個爆震傳感器和雙節(jié)氣門的V-2發(fā)動機。
總結：
目前，基于PC技術的控制器開發(fā)“V”模式已成為汽車ECU開發(fā)一套行之有效的方法。對于其中快速原型和硬件在環(huán)兩個關鍵環(huán)節(jié)，設計者可根據ECU I/O數量和控制邏輯的復雜度選擇對應的CompactRIO平臺或PXI平臺，且整個系統(tǒng)是在圖形化設計工具LabVIEW下實現的，無需復雜的軟硬件知識;均具有成本低、開發(fā)時間短、可擴展性、通用性等特點。
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