意大利Alma公司使用VeriStand實(shí)現汽車(chē)ECU的HIL測試

“NI VeriStand與NI PXI平臺的結合滿(mǎn)足了用戶(hù)對I/O、計算能力、信號仿真和數據分析等功能的需求，而且是完全開(kāi)放和模塊化的。”–Enrico Corti, Alma Automotive.

挑戰：

基于商業(yè)現成(COTS)的硬件，為發(fā)動(dòng)機和整車(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)測試系統，以減少嵌入式軟件驗證過(guò)程中所需要的實(shí)物測試次數。

解決方案：

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

Alma Automotive是一家總部設在意大利北部的公司，為汽車(chē)的校準、控制和測試提供定制的解決方案。Alma Automotive根據客戶(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、傳感器系統和電子控制單元(ECU)。

因為HIL系統可以用來(lái)實(shí)現自動(dòng)化和標準化測試，所以它們是ECU測試的標準。大多數市場(chǎng)上可用的HIL系統提供的是不能擴展或定制的標準功能，Eldor公司選擇了由Alma汽車(chē)公司提出的HIL解決方案，因為該方案的硬件和軟件是開(kāi)放的，并可以完全根據他們的需求定制。

HIL系統所仿真的是由ECU控制的設備，所有進(jìn)入ECU的實(shí)際信號必須由HIL測試系統產(chǎn)生的信號代替。因為目標是測試ECU的功能，所以仿真必須實(shí)時(shí)運行。模型必須精確地對ECU命令進(jìn)行響應，以測試整個(gè)嵌入式控制系統。對于某些類(lèi)型的信號，復現一個(gè)正確的時(shí)基是很困難的，因為高頻率的信號需要與曲軸的瞬時(shí)位置同步。這種典型的例子包括缸內壓力、加速度計、離子電流和進(jìn)氣壓力信號。

目前市場(chǎng)上有很多的HIL系統可供選擇。大多數系統的主要缺點(diǎn)是缺乏對HIL供應商所提供的基礎函數庫進(jìn)行定制的工具，很難訪(fǎng)問(wèn)底層(類(lèi)似FPGA)函數，因此這些系統無(wú)法滿(mǎn)足顧客的需求。

NI VeriStand與NI PXI平臺的結合滿(mǎn)足了用戶(hù)對I/O、計算能力、信號仿真和數據分析等功能的需求，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 )建復雜FPGA代碼的能力和創(chuàng )建了一個(gè)自定義設備來(lái)輸出凸輪軸、曲軸、進(jìn)氣門(mén)、傳感器電流和缸內壓力信號。

由Alma Automotive公司提出的HIL系統(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/車(chē)輛(摩托車(chē))/駕駛員模型，該控制器的步長(cháng)時(shí)間為500µs，單核CPU負荷為20%;

Ÿ 用自定義設備實(shí)現的一個(gè)高帶寬信號發(fā)生器，該自定義設備用來(lái)產(chǎn)生基于模型的曲軸、凸輪軸、進(jìn)氣門(mén)、缸內壓力和離子電流信號，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。該自定義設備是用7852R板卡實(shí)現的。

Ÿ 由Alma Automotive公司設計和生產(chǎn)的一個(gè)自定義的I/O信號調理板，將ECU模擬輸出信號轉變?yōu)門(mén)TL數字信號，并在必要時(shí)增強PXI 6723的模擬輸出信號(可變磁阻信號，VRS)。

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

圖1 HIL系統集成

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)。測功機模式也可以模擬試驗臺的運行狀況。發(fā)動(dòng)機采用多變量扭矩圖建立模型，該子模型輸出發(fā)動(dòng)機的扭矩、空氣/燃料比和其它參數。這些輸出發(fā)送到定制的設備以產(chǎn)生高頻信號，如進(jìn)氣壓力信號。發(fā)動(dòng)機扭矩用來(lái)提供車(chē)輛和變速器子模型，動(dòng)力傳動(dòng)系統組件。發(fā)動(dòng)機和車(chē)輛速度是基于發(fā)動(dòng)機扭矩、離合器位置、插入式齒輪、輪胎運轉狀況和前后輪上的實(shí)際載荷來(lái)計算的。

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，而測功機子模型計算所提供的扭矩以保持發(fā)動(dòng)機在要求的轉速和負載工作條件下運轉。還有一個(gè)熱交換子模型來(lái)評估發(fā)動(dòng)機的冷卻液溫度;電氣系統子模型使用戶(hù)可以模擬啟動(dòng)器和啟動(dòng)期間的電池電壓水平。

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

圖2 自定義的曲軸參考信號發(fā)生器設備

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。FPGA的確定性允許在系統中設定安全功能，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)電流監測。先合后斷的FIU操作通過(guò)用戶(hù)可配置的負載釋放延遲，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)際負載，也可以連接仿真負載。當使用實(shí)際負載時(shí)，如節氣閥時(shí)，仿真系統就會(huì )讀取反饋傳感器如節氣閥電位計的信息并供給模型。當使用仿真負載時(shí)，如虛擬節氣閥時(shí)，反饋信號由仿真器產(chǎn)生，如模擬輸出通道，并發(fā)送給ECU。實(shí)際負載與仿真負載之間的切換通過(guò)移動(dòng)外置接線(xiàn)盒上的跳線(xiàn)來(lái)完成。

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