NI軟硬件平臺在汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)和測試中的應用

　　引言

　　當今汽車(chē)行業(yè)，法規對安全性、動(dòng)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(zhì)量的影響。因此在汽車(chē)中，ECU不僅數量持續上升，其功能也不斷增強。在汽車(chē)中，分單個(gè)ECU系統和多個(gè)ECU互聯(lián)系統，前者如安全氣囊ECU，后者如發(fā)動(dòng)機管理系統(EMS) ECU。EMS涉及數千個(gè)參數和多個(gè)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(guò)不同的汽車(chē)總線(xiàn)將各個(gè)電子設備互聯(lián)，以形成車(chē)載網(wǎng)絡(luò )，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(chǎn)品質(zhì)量，需要通過(guò)自動(dòng)化測試手段來(lái)減少從定義、分析、設計到實(shí)現不同產(chǎn)品周期環(huán)節的人為失誤。此外，還面臨如何在最短的開(kāi)發(fā)周期內以最經(jīng)濟的成本將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的挑戰。

　　控制器開(kāi)發(fā)“V”模式

　　經(jīng)過(guò)多年探索，業(yè)界普遍采用基于計算機模型的控制器開(kāi)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(guò)程、縮短開(kāi)發(fā)周期，以節省成本。該模式除應用于汽車(chē)用ECU開(kāi)發(fā)外，也已成功應用到航空、國防、“白色”家電、醫療設備、工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域。下面按照“V”模式圖橫向對應的先后環(huán)節順序作簡(jiǎn)單闡述。

　　系統定義：根據控制系統設計要求，完成設計規范，如控制算法、控制對象參數等。往往需要以往的設計經(jīng)驗、試驗數據作參考。

　　設計、仿真：根據控制系統定義，將整個(gè)系統在計算機軟件環(huán)境下實(shí)現，即對控制器的控制邏輯、控制對象環(huán)境進(jìn)行建模仿真，以幫助設計者在先期就對系統指標、誤差等進(jìn)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進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)仿真，又可集成第三方軟件開(kāi)發(fā)的模型和代碼，包括The MathWorks, Inc. Simulink®、MSC CarSim，甚至C代碼。MATRXx則提供一整套系統設計仿真工具，尤其適合開(kāi)發(fā)和管理大型的、復雜的模型。

　　圖1 控制器開(kāi)發(fā)“V”模式圖

　　快速原型：在這里，快速控制原型(Rapid Control Prototype，簡(jiǎn)稱(chēng)快速原型)概念區別于機械制造中根據CAD數據自動(dòng)構建物理模型的快速成型技術(shù)。因為軟件仿真不能完全體現實(shí)際的動(dòng)態(tài)環(huán)境，需要開(kāi)發(fā)一個(gè)控制器硬件原型用以在真實(shí)環(huán)境下驗證算法，即將控制器模型下載到一個(gè)實(shí)時(shí)硬件平臺，并通過(guò)I/O連接至真實(shí)環(huán)境中的傳感器、執行器并進(jìn)行測試，該過(guò)程即快速原型，也常稱(chēng)為軟件在環(huán)。選用實(shí)時(shí)硬件平臺是為了仿真的時(shí)效性、確定性和穩定性。

　　代碼生成與軟件測試：控制器模型在通過(guò)快速原型環(huán)節驗證之后，將該模型自動(dòng)或手工生成C代碼或其它支持類(lèi)型的代碼，并下載到ECU的微控制器。并對所產(chǎn)生的目標代碼進(jìn)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(guò)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定性。硬件在環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的測試系統，可重復地進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真;可在試驗室里仿真夏季和冬季的道路試驗，無(wú)需真實(shí)的測試環(huán)境組件，節約測試成本;可進(jìn)行臨界條件測試和模擬極限工況，如發(fā)動(dòng)機水溫和油溫、ABS試驗時(shí)車(chē)速和道路附著(zhù)系數，沒(méi)有實(shí)際風(fēng)險;并可通過(guò)軟件(模型)、硬件(故障輸入模塊)來(lái)模擬開(kāi)路、與地短接、ECU引腳間短接等錯誤，以及模擬傳感器、執行器出錯情況。

　　系統標定和測試：在完成關(guān)鍵的硬件在環(huán)之后，將修正后的控制器連接至真實(shí)I/O環(huán)境，并進(jìn)行臺架試驗、道路試驗，直至最后生產(chǎn)出廠(chǎng)。

　　以上控制器開(kāi)發(fā)“V”模式符合國際汽車(chē)行業(yè)標準(ASAM/ASAP)，已在諸多著(zhù)名汽車(chē)電子廠(chǎng)家中獲得成功?？焖僭秃陀布诃h(huán)是控制器開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節，目前針對這兩個(gè)環(huán)節的解決方案普遍面臨成本高的不足。NI根據控制系統的復雜度和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(jiǎn)單、I/O數目相對較少的車(chē)身電子控制的ECU，可選擇CompactRIO平臺進(jìn)行ECU快速原型和硬件在環(huán)測試;針對較為復雜的動(dòng)力總成系統和主動(dòng)懸架系統，可選用PXI實(shí)時(shí)系統平臺。上述平臺均具有開(kāi)發(fā)時(shí)間短、通用性、可擴展性、低成本的特點(diǎn);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(chē)廠(chǎng)提供了解決方案;在國內，如上海大眾某車(chē)型全車(chē)多個(gè)ECU硬件在環(huán)測試是在NI PXI平臺下實(shí)現的。

　　下面舉兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)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(chē)控制系統快速原型測試

　　美國Drivven公司承擔為Yamaha YZF-R6 摩托車(chē)開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機控制系統原型項目。項目要求：毫秒級的控制器模型循環(huán)時(shí)間;微妙級的噴油和點(diǎn)火正時(shí);并考慮摩托車(chē)空間受限、設備供電等因素。

　　Drivven在經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調查之后，最終選擇NI CompactRIO嵌入式系統平臺。該平臺包括實(shí)時(shí)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(gè)系統具有小型、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(wú)須硬件描述語(yǔ)言和相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識，便可在WINDOWS操作系統上用圖形化方法開(kāi)發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載。該平臺又是一個(gè)開(kāi)放的平臺，既可選用現成的針對不同信號類(lèi)型的模塊，又可自己開(kāi)發(fā)自定義模塊。Drivven根據項目需求，開(kāi)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(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)模塊編程實(shí)現高性能賽車(chē)常用的速度密度法和節氣門(mén)開(kāi)度速度法組合控制策略。速度密度法是指利用發(fā)動(dòng)機轉速和進(jìn)氣密度來(lái)計算各缸進(jìn)氣量，系統驅動(dòng)噴油器提供所需的油量，以滿(mǎn)足各種節氣門(mén)狀態(tài)下的理論空燃比要求和在節氣門(mén)全開(kāi)情況下的最大扭矩需求，應用于低轉速、低負荷工況。節氣門(mén)開(kāi)度速度法是指根據兩者參數值在二維圖表上查找空氣質(zhì)量經(jīng)驗值。

　　將CompactRIO原型平臺布置在該摩托車(chē)上，進(jìn)行試驗，系統和程序界面如圖2、圖3所示。試驗結果表明：發(fā)動(dòng)機轉速可高達15500RPM;能很好地實(shí)現噴油、點(diǎn)火正時(shí)等策略。同時(shí)，實(shí)時(shí)控制器可記錄下試驗過(guò)程中包括進(jìn)氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節氣門(mén)位置、噴油初始角、點(diǎn)火提前角等參數。Drivven公司總裁Carroll G. Dase表示：“和過(guò)去類(lèi)似項目相比，利用CompactRIO平臺從過(guò)去兩人一年的工作量并耗費50萬(wàn)美金下降到三人一個(gè)月的工作量且只需花費15000美金?！?/P>

　　圖2 發(fā)動(dòng)機控制器硬件原型

　　圖3 發(fā)動(dòng)機原型上位機測試界面

　　應用舉例二：MicroNova發(fā)動(dòng)機硬件在環(huán)測試

　　德國MicroNova公司面臨在短時(shí)間內開(kāi)發(fā)緊湊的、高精度的板卡用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機管理系統硬件在環(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(shí)時(shí)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(guò)LabVIEW FPGA編程實(shí)現曲軸、凸輪軸、爆震、點(diǎn)火等非標準信號。通過(guò)LabVIEW仿真接口工具包集成已有的在Simulink環(huán)境下開(kāi)發(fā)的仿真器模型，協(xié)同TESIS DYNAware提供的發(fā)動(dòng)機模組來(lái)構建虛擬的測試環(huán)境，并運行于PXI實(shí)時(shí)控制器中。MicroNova開(kāi)發(fā)了信號調理模塊，對信號大小、I/U、U/I、U/R等進(jìn)行調理，以滿(mǎn)足類(lèi)似ECU電流在休眠模式下為幾個(gè)μA，而工作模式時(shí)可達50 A的需求。此外，系統還包括Magneti Marelli ECU、故障輸入模塊和真實(shí)負載。

　　整個(gè)硬件在環(huán)測試系統的軟件架構如圖4所示，包括FPGA目標、實(shí)時(shí)系統和上位機三個(gè)部分，其中上位機為用戶(hù)操作界面和自動(dòng)化測試管理程序。該系統具有小型化、高精度、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、低成本的特點(diǎn)。不僅可直接使用已有的模型、接口板等;又可根據系統需求進(jìn)行模塊替換或擴展;板載FPGA便于實(shí)現靈活的可重復配置，但無(wú)需復雜的軟件硬件知識;通過(guò)PXI背板總線(xiàn)實(shí)現數量眾多的I/O在不同的總線(xiàn)速度下同步。

　　圖4 MicroNova發(fā)動(dòng)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(dòng)機的硬件在環(huán)仿真器;還可用于其它不同系列發(fā)動(dòng)機，如：含可變氣門(mén)驅動(dòng)、可調式凸輪軸控制、直噴技術(shù)的V-12和6缸直列發(fā)動(dòng)機;帶渦輪增壓、空氣中冷4缸直列共軌柴油機;用于摩托車(chē)的進(jìn)氣管?chē)娚洹?個(gè)爆震傳感器和雙節氣門(mén)的V-2發(fā)動(dòng)機。

　　總結：

　　目前，基于PC技術(shù)的控制器開(kāi)發(fā)“V”模式已成為汽車(chē)ECU開(kāi)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節，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(gè)系統是在圖形化設計工具LabVIEW下實(shí)現的，無(wú)需復雜的軟硬件知識;均具有成本低、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、可擴展性、通用性等特點(diǎn)。