基于SimulationX和NI VeriStand的裝甲越野車(chē)內置系

ITI是全球領(lǐng)先的系統仿真軟件及工程公司之一。SimulationX標準工具用來(lái)評估技術(shù)系統中所有組件的相互作用，并支持Modelica語(yǔ)言。ITI與全球分公司、分銷(xiāo)商及伙伴共同合作，另外，它也是美國國家儀器聯(lián)盟伙伴之一。

TraceTronic提供創(chuàng )新的解決方案、服務(wù)及軟件產(chǎn)品，用于開(kāi)發(fā)和驗證復雜的嵌入式系統。公司服務(wù)范圍包括了從電子控制單元（ECU）的軟件功能開(kāi)發(fā)和測試，到HIL系統的全程開(kāi)發(fā)。

開(kāi)發(fā)多用途車(chē)輛的驗證框架

為給國防部門(mén)以及警察和安全部隊配備更加先進(jìn)的移動(dòng)、模塊化和防護技術(shù)，Kraus-Maffei Wegmann（KMW）以及其他一些公司接受挑戰，開(kāi)發(fā)了新一代裝甲多用途車(chē)輛（AMPV），它們不僅具有良好的移動(dòng)性能，同時(shí)還提供最高水平的防護。它們使用裝甲鋼和復合裝甲創(chuàng )造出一種自我支持安全元件，為裝甲車(chē)輛制定了新標準。車(chē)輛超越了目前的防護標準，并且重量顯著(zhù)減輕。車(chē)輛操縱簡(jiǎn)單，其內部?jì)?yōu)化人機界面（HMI），使駕駛員和其他人員能夠專(zhuān)注于完成任務(wù)，從而進(jìn)一步提高了防護水平。AMPV的駕駛越容易，人員和設備就越安全。我們與經(jīng)驗豐富的軟件及硬件制造商密切合作，為車(chē)輛內置系統制訂了完善的驗證策略。

開(kāi)發(fā)組合式HIL試驗平臺

項目從實(shí)現HIL試驗平臺開(kāi)始。首先，我們分析了客戶(hù)要求和電子控制器單元（ECU）。分析結果為技術(shù)理念與試驗平臺規格奠定了基礎?，F有HIL仿真器的市場(chǎng)研究表明：目前尚無(wú)關(guān)于靈活性、集成度和價(jià)格方面滿(mǎn)足具體項目要求的標準解決方案，因此我們基于現有和專(zhuān)用組件開(kāi)發(fā)了一個(gè)自定義系統。

我們選擇NI VeriStand作為實(shí)時(shí)平臺。此NI解決方案基于行業(yè)標準硬件，從而我們以非常合理的成本實(shí)現了高性能系統。另外，我們能夠以一種靈活且高性?xún)r(jià)比的方式，根據不斷增長(cháng)的測試需求擴展系統的計算能力

為了快速計算實(shí)時(shí)模型，我們選擇了具有兩個(gè)2.53 GHz Intel Xeon處理器的標準服務(wù)器。兩個(gè)處理器共有8個(gè)內核。目前實(shí)時(shí)模型所導致的相對較低的負載提供了足夠的擴展能力，甚至不需要升級硬件。

I/O硬件通過(guò)PXI擴展機箱與PC相連。這只占用了一個(gè)PCI Express插槽，PXI底板提供了足夠數目的插槽用來(lái)插入其他I/O板。試驗平臺使用NI PXI控制器局域網(wǎng)絡(luò )（CAN）通信板卡以及模擬和數字I/O。對于模擬速度傳感器信號等嚴格時(shí)間要求信號，我們增加了一個(gè)NI PXI-7831R現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開(kāi)發(fā)FPGA程序。

另外，我們還選用了一個(gè)集成有故障模擬的信號調節單元，減少了試驗臺復雜的接線(xiàn)，并且不會(huì )無(wú)故降低信號質(zhì)量。為了滿(mǎn)足兩種板載電壓電平車(chē)輛的要求，我們在試驗臺中集成了兩個(gè)可控制電源。顯示器顯示處理器核的當前負載，以及實(shí)時(shí)系統與實(shí)時(shí)模型的相關(guān)信息。

試驗平臺硬件布局

組合式HIL試驗臺的所有組件和接線(xiàn)完全集成在一個(gè)19英寸機架上。除了驗證ECU軟件之外，我們還可以使用試驗臺布局來(lái)測試小批量模塊系列，例如帶ECU的托架等。由于我們可以將車(chē)輛接線(xiàn)束直接與試驗臺相連接，所以這也被證明可行。

實(shí)時(shí)模型

要求

隨著(zhù)控制器功能越來(lái)越復雜，人們對于實(shí)時(shí)設備模型在能力和細節建模程度方面的要求也越來(lái)越高。特別地，現代車(chē)輛中的激勵器運行時(shí)除了僅僅開(kāi)與關(guān)之外，還越來(lái)越受到制約。為此，我們選用ITI SimulationX。

測試系統的ECU與模型相互作用

在本項目中，我們利用SimulationX對所有與車(chē)輛控制器交互的物理元件進(jìn)行了建模，主要包括以下幾個(gè)方面：

發(fā)動(dòng)機

帶扭矩變換器的減速箱和兩級可換檔變速箱

傳動(dòng)系統，配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅動(dòng)，在連接ABS和轉向傳感器的情況下轉彎時(shí)所用的車(chē)輪調速

轉向模型

制動(dòng)和ABS系統

輪胎壓力監控系統

確保實(shí)時(shí)性能

與專(zhuān)為實(shí)時(shí)能力設計的預配置黑盒子解決方案相比，為具體任務(wù)定制或者從其他實(shí)時(shí)模型得出的物理模型一般不能執行實(shí)時(shí)任務(wù)。它們的實(shí)時(shí)性能由建模人員在開(kāi)發(fā)模型時(shí)保證。

模型的實(shí)時(shí)能力通過(guò)兩種主要機制實(shí)現。一方面，采用獨一無(wú)二的、徹底符號式的預處理。在代碼生成期間，SimulationX對整個(gè)系統模型的物理和數學(xué)方程式進(jìn)行自動(dòng)預處理。通過(guò)解答并代入方程式，簡(jiǎn)化在一次計算中多次出現的表達式，以及完全除去不影響指定接口信號的數量的計算（例如內部結果變量），來(lái)簡(jiǎn)化系統。所有這些都不需要用戶(hù)參與；通過(guò)與其他代碼優(yōu)化措施配合，可獲得非常高效的實(shí)時(shí)代碼。另一方面，若干分析方法例如固有頻率和振動(dòng)模式，以及能源分布和性能分析等，在模型-性能優(yōu)化過(guò)程中為用戶(hù)提供輔助，從而滿(mǎn)足所有計算時(shí)間要求。

一般來(lái)說(shuō)，為此項目開(kāi)發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能。例如，在一個(gè)處理器核上，即使模型實(shí)現了相對較高的采樣速率，整個(gè)傳動(dòng)系統模型也只需要20%的計算能力。

傳動(dòng)系統模型范例

傳動(dòng)系統中的組件模型按照相關(guān)ECU的I/O要求，以不同的細節程度實(shí)現。從發(fā)動(dòng)機的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動(dòng)機的行為。然而，噴油系統執行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數化的精確設備建模。

在本項目中，我們用實(shí)際噴油控制系統驗證了此模型部分。對齒輪箱和扭矩變換器進(jìn)行了物理建模，其中包含離合器和制動(dòng)器模型，這些模型摩擦特性實(shí)現參數化。這使得齒輪更換，和換檔期間的過(guò)渡行為，例如速度梯度和齒輪更換時(shí)間等建模都成為可能。這個(gè)步驟很有意義，因為憑借不同的制動(dòng)器和離合器扭矩，齒輪箱執行器不僅可以以開(kāi)/關(guān)方式，而且以中間步驟方式運行。，剩余傳動(dòng)系統模型包括了傳動(dòng)軸的彈性，因此它可以進(jìn)行典型的傳動(dòng)系統振動(dòng)。根據轉向角度不同，每個(gè)車(chē)輪的曲線(xiàn)半徑均不同，因此在轉彎期間，傳感器能夠探測到各個(gè)車(chē)輪速度。

除了控制器輸出信號之外，傳動(dòng)系統模型還處理制動(dòng)系統模型所提供的制動(dòng)扭矩，并將其運用到車(chē)輪上。傳動(dòng)系統的速度傳感器輸出為各個(gè)ECU提供支持，但由于它們的信號頻率過(guò)高，很難由實(shí)時(shí)模型生成，而改由FPGA產(chǎn)生。模型只能提供通過(guò)傳感器的輪齒的脈沖頻率

所示模型在實(shí)時(shí)系統的一個(gè)處理器內核上運行，周期為0.1 ms。因此，模型所占的處理器內核計算資源不到20%。

試驗自動(dòng)化

為了充分利用HIL試驗評臺，我們需要一個(gè)靈活的的試驗自動(dòng)化環(huán)境。由于KMW 內部開(kāi)發(fā)需要多種回歸試驗，出于質(zhì)量和成本原因，自動(dòng)化試驗是必不可少的。

對于此應用，我們使用TraceTronic ECU-TEST的試驗自動(dòng)化環(huán)境。此工具用來(lái)指定、實(shí)施、執行和記錄試驗結果。

通過(guò)在相關(guān)試驗環(huán)境中改變不同開(kāi)發(fā)階段的信號映射，試驗案例的可重用性節約了用戶(hù)的寶貴時(shí)間，試驗采用可視化設計，無(wú)需編輯源代碼。

ECU-TEST中實(shí)現的回歸試驗涵蓋了所需驗證水平的整個(gè)帶寬，范圍從模擬ECU輸入和觀(guān)察CAN上的相關(guān)響應等低水平試驗，到故障管理和故障確認等相互作用及復雜功能的試驗。這有助于將試驗工作量降至先前工作量的15%，試驗深度明顯提升。

益處

生產(chǎn)先進(jìn)、高度保護、相對輕質(zhì)，并且具有多種新功能的多用途車(chē)輛只復雜的聯(lián)網(wǎng)ECU來(lái)生產(chǎn)。車(chē)輛制造商負責整個(gè)系統，包含車(chē)輛、內部開(kāi)發(fā)ECU，以及從外部供應商處獲得的ECU。為了很好的完成任務(wù)，制造商會(huì )對所有的ECU進(jìn)行集成和聯(lián)合試驗，確保它們能夠一開(kāi)始就正確地安裝到車(chē)輛上。

新型的HIL試驗平臺是國際標準硬件與軟件組件的獨特組合。因此，客戶(hù)可得到由HIL試驗平臺、定制實(shí)時(shí)模型和高度自動(dòng)化試驗環(huán)境所組成的定價(jià)優(yōu)化、高度可擴展驗證框架。此組合有助于制造商以高性?xún)r(jià)比的優(yōu)化方式，集成不同的車(chē)輛ECU。由此客戶(hù)也能夠充分利用可擴展性和I/O靈活性的優(yōu)勢。憑借環(huán)路中的實(shí)時(shí)模型，AMPV的ECU網(wǎng)絡(luò )能夠快速驗證，并提供優(yōu)化整個(gè)系統的集成方法。在本項目中，與非HIL試驗方法相比，此試驗工作量減少了85%，同時(shí)試驗深度明顯提升。

結果

使用NI實(shí)時(shí)硬件和NI VeriStand軟件，我們卓有成效地完成模型開(kāi)發(fā)和HIL試驗臺集成。我們利用模型、試驗臺軟件和硬件之間界限清晰的接口，并行執行所有三個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)活動(dòng)。NI VeriStand的簡(jiǎn)短學(xué)習曲線(xiàn)幫助我們快速建立與運行HIL試驗系統?？蓴U展環(huán)境確保我們能夠擴展HIL試驗系統，以滿(mǎn)足將來(lái)的需要。NI VeriStand的重新配置非常簡(jiǎn)便，這樣當試驗要求發(fā)生變化，例如，當信號和模型需要重新定線(xiàn)以進(jìn)行調試時(shí)，可以更改配置。NI VeriStand與實(shí)時(shí)及FPGA硬件的固有集成使試驗系統能夠滿(mǎn)足所需的定時(shí)要求，并能在將來(lái)進(jìn)行試驗擴展。