硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)

HIL仿真是一種功能強(qiáng)大的測(cè)試方法，可以用于更加有效的測(cè)試嵌入式控制系統(tǒng)。當(dāng)測(cè)試嵌入式控制系統(tǒng)時(shí)，從安全性，可行性和合理的成本上考慮，使用全系統(tǒng)進(jìn)行所有必要的測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的。您可以使用HIL仿真來(lái)模擬部分系統(tǒng)以面對(duì)這些挑戰(zhàn)，在將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前使您能夠在虛擬環(huán)境下測(cè)試嵌入式控制器件。有了這個(gè)功能，即使您要測(cè)試的系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，您也可以以一種具有成本效益的方式維持可靠性和市場(chǎng)投放。要更多地了解HIL測(cè)試如何改善控制系統(tǒng)驗(yàn)證，請(qǐng)觀看什么是HIL測(cè)試網(wǎng)上視頻. 本教程討論了各種HIL測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)和如何去實(shí)現(xiàn)它們。

1.HIL測(cè)試系統(tǒng)的組成
HIL測(cè)試系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：一個(gè)實(shí)時(shí)處理器、I/O接口和一個(gè)操作界面。實(shí)時(shí)處理器是HIL測(cè)試系統(tǒng)的核心。它提供大多數(shù)HIL測(cè)試系統(tǒng)的確定執(zhí)行，例如硬件I/O通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵(lì)生成和模型執(zhí)行。要精確地仿真測(cè)試系統(tǒng)中物理上并不存在的部分，一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是非常必要的。I/O接口是與被測(cè)部件交互的模擬，數(shù)字和總線信號(hào)。您可以用它們來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)，并提供被測(cè)的電子控制單元 (ECU)與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執(zhí)行器交互。操作界面與實(shí)時(shí)處理器通信，提供測(cè)試命令和可視化。在大多數(shù)情況下，這個(gè)部件也提供配置管理、測(cè)試自動(dòng)化、分析和報(bào)告任務(wù)。

圖1. 一個(gè)HIL測(cè)試系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：一個(gè)操作界面，一個(gè)實(shí)時(shí)處理器和I/O接口。

2. 硬件故障插入
許多HIL測(cè)試系統(tǒng)使用硬件故障插入在ECU和其余要測(cè)試的系統(tǒng)之間產(chǎn)生信號(hào)故障，來(lái)測(cè)試，描述和驗(yàn)證在這些情況下的器件性能。要做到這一點(diǎn)，您可以在I/O接口和ECU之間插入故障插入單元(FIUs)，從而允許HIL測(cè)試系統(tǒng)在正常運(yùn)行和諸如對(duì)地短路或開(kāi)路之類的故障狀態(tài)之間切換接口信號(hào)。

圖3. 汽車，飛機(jī)和風(fēng)力發(fā)電站使用多ECU

當(dāng)測(cè)試一個(gè)多ECU控制系統(tǒng)時(shí)（甚至一些單ECU控制系統(tǒng)），經(jīng)常出現(xiàn)兩個(gè)需求：附加處理能力和簡(jiǎn)化連線。

4. 額外的處理能力-分布式處理
即使采用最新的多核處理能力，一些系統(tǒng)仍要求更多的，超過(guò)單底板的處理能力。為應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，您可以使用分布式處理技術(shù)來(lái)滿足這些系統(tǒng)的執(zhí)行要求。在高通道數(shù)的系統(tǒng)中，其需求超出了簡(jiǎn)單的增加處理能力，額外的I/O也是必不可少的。相比之下，采用大規(guī)模，耗費(fèi)處理器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)常使用附加的底板，僅僅是為了提供額外的處理能力，從而允許那些處理器能以很高的效率應(yīng)用于單個(gè)任務(wù)。根據(jù)仿真任務(wù)的分布情況，可能需要在底板之間共享觸發(fā)和定時(shí)信號(hào)，并提供確定的數(shù)據(jù)鏡像來(lái)提高協(xié)同運(yùn)作的能力。

圖4.當(dāng)為得到附加處理能力采用多重底板時(shí)，在它們之間提供時(shí)間和數(shù)據(jù)同步接口是很有必要的。

5. 簡(jiǎn)化連線-分布式I/O
實(shí)現(xiàn)和維護(hù)高通道數(shù)系統(tǒng)的連線會(huì)面對(duì)昂貴和費(fèi)時(shí)的挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)需要在ECU和HIL測(cè)試系統(tǒng)之間連接成百上千個(gè)信號(hào)，經(jīng)常為補(bǔ)償空間要求跨越很多米。

幸運(yùn)的是，確定分布I/O技術(shù)能幫助您理順這些復(fù)雜的連線并提供與ECU的模塊化連接，同時(shí)允許高效系統(tǒng)配置的修改。無(wú)需將所有的連接排布在單個(gè)機(jī)架里的一個(gè)或多個(gè)具有I/O接口的實(shí)時(shí)處理底板上，您可以使用確定分布I/O來(lái)提供模塊化的I/O接口，這些接口位于靠近各個(gè)ECU的位置，從而不會(huì)犧牲精確仿真系統(tǒng)虛擬部分所必須的高速確定性需求。

這種方法極大的減少了HIL測(cè)試系統(tǒng)連線的花費(fèi)和復(fù)雜程度，它使ECU和I/O接口之間的局部連接（跨度小于1米）成為可能，同時(shí)，使用一個(gè)單獨(dú)的總線電纜來(lái)擴(kuò)展到實(shí)時(shí)處理底板的距離。此外，由于這種方法的模塊化特性，HIL測(cè)試系統(tǒng)能夠毫不費(fèi)力地逐步擴(kuò)展，從除一個(gè)以外其它都是仿真ECU的系統(tǒng)到完全沒(méi)有仿真ECU的完整HIL系統(tǒng)。

圖5. 由于ECU和I/O接口采用局部連接，確定分布I/O接口極大的降低了HIL測(cè)試系統(tǒng)的連線花費(fèi)和復(fù)雜性

6. 實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試系統(tǒng)
一旦您為您的HIL測(cè)試系統(tǒng)選擇了適當(dāng)?shù)臉?gòu)架，創(chuàng)建一個(gè)HIL測(cè)試系統(tǒng)的第一步是選擇最能滿足您新要求的實(shí)時(shí)處理元件。NI公司為執(zhí)行HIL測(cè)試系統(tǒng)提供了廣泛的實(shí)時(shí)處理選擇。因?yàn)樗鼈兌蓟陂_(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以它們能確保您總能將最新的PC技術(shù)進(jìn)展用在您的HIL測(cè)試系統(tǒng)中，從而始終滿足未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的要求。

PXI是一款基于PC的測(cè)試，測(cè)量和控制的開(kāi)放平臺(tái)。它提供廣泛的實(shí)時(shí)處理器選擇，包括數(shù)個(gè)高性能的雙核和四核處理器。有超過(guò)70個(gè)供應(yīng)商提供1200多種PXI產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)有數(shù)千公司選擇了PXI平臺(tái)。

PXI平臺(tái)能在很多同步技術(shù)下工作，包括通過(guò)IRIG-B, IEEE 1588, SCRAMNet以及反射內(nèi)存來(lái)在多機(jī)箱HIL測(cè)試系統(tǒng)中用于共享定時(shí)，觸發(fā)和數(shù)據(jù)。

NI公司也提供了數(shù)個(gè)用于低成本，小體積的HIL測(cè)試系統(tǒng)供選擇。NICompactRIO是一種低成本的可重配置的控制和采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用由可重配置I/O(RIO)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)技術(shù)組成一個(gè)小型的開(kāi)放式嵌入式架構(gòu)。

這種技術(shù)將實(shí)時(shí)處理器和用戶可編程FPGA結(jié)合起來(lái)。您可以使用FPGA創(chuàng)建自定義的I/O特性并且可以把模型執(zhí)行和信號(hào)處理運(yùn)算從實(shí)時(shí)處理器下放到FPGA上來(lái)提高HIL測(cè)試系統(tǒng)的性能。

7. 總結(jié)
在決定和選擇能滿足您的HIL測(cè)試系統(tǒng)需求的，適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)處理部件之后，您需要為您的ECU選擇所需的I/O接口。請(qǐng)閱讀選擇硬件在環(huán)(HIL)測(cè)試系統(tǒng) I/O接口以更多的了解可用于您的HIL測(cè)試系統(tǒng)的I/O接口。