使用​NI VeriStand​实现​汽车​ECU​的​HIL​测试

Enrico Corti, Alma Automotive

"NI VeriStand​与​NI PXI​平台​的​结合​满足​了​用户​对​I/​O、​计算​能力、​信号​仿真​和​数据​分析​等​功能​的​需求,​而且​是​完全​开放​和​模​块​化​的。" ​

- Enrico Corti, Alma Automotive

挑战:

基于​商业​现成​(COTS)​的​硬件,​为​发动​机​和​整​车​的​实​时​仿真​开发​一个​模​块​化​的​硬件​在​环​(HIL)​测试​系统,​以​减少​嵌入式​软件​验证​过程​中​所需​的​测试​次数。 ​

解决​方案:

基于​NI VeriStand​实​时​测试​软件​和​NI PXI​硬件​的​测试​系统​提供​了​用户​所​要求​的​计算​能力,​可以​利用​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​硬件​实现​高速​控制,​同时,​各种​不同​的​I/​O​不仅​能​保证​该​HIL​系统​可以​满足​当前​的​需求,​而且​可​进行​功能​扩展​以​满足​未来​的​应用​需求。 ​

Alma Automotive​是​一家​总部​设在​意大利​北部​的​公司,​为​汽车​的​校准、​控制​和​测试​提供​定制​的​解决​方案。​Alma Automotive​根据​客户​的​需求,​提供​纯​软件​(模型​或​基于​模型​的​分析),​或​集成​硬件​和​软件​的​解决​方案。​Eldor​公司​提供​汽车​电子​组​件,​如​线圈、​离子​感应​系统​和​电子​控制​单元​(ECU)。

 

因为​HIL​系统​可以​用​来​实现​自动​化​和​标准​化​测试,​所以​它们​是​ECU​测试​的​标准。​大​多数​市场​上​可用​的​HIL​系统​提供​的是​不能​扩展​或​定制​的​标准​功能,​Eldor​公司​选择​了​由​Alma​汽车​公司​提出​的​HIL​解决​方案,​因为​该​方案​的​硬件​和​软件​是​开放​的,​并​可以​完全​根据​他们​的​需求​定制。

 

HIL​系统​必须​仿真​由​ECU​控制​的​设备,​所有​进入​ECU​的​实际​信号​必须​由​HIL​测试​系统​产生​的​信号​代替。​因为​目标​是​测试​ECU​的​功能,​所以​仿真​必须​实​时​运行。​模型​必须​精确​地​对​ECU​命令​进行​响应,​以​测试​整个​嵌入式​控制​系统。​对于​某些​类型​的​信号,​复现​一个​正确​的​时​基​是​很​困难​的,​因为​高​频率​的​信号​需要​与​曲轴​的​瞬时​位置​同步。​这种​典型​的​例子​包括​缸内​压力、​加速度​计、​离子​电流​和​进​气​压力​信号。

 

目前​市场​上有​很多​的​HIL​系统​可供​选择。​大​多数​系统​的​主要​缺点​是​缺乏​对​HIL​供应​商​所​提供​的​基础​函数​库​进行​定制​的​工具,​很​难​访问​底层​(类似​FPGA)​函数,​因此​这些​系统​无法​满足​顾客​的​需求。

 

 

NI VeriStand​与​NI PXI​平台​的​结合​满足​了​用户​对​I/​O、​计算​能力、​信号​仿真​和​数据​分析​等​功能​的​需求,​而且​是​完全​开放​和​模​块​化​的。​决定​该​应用​成功​的​两​个​关键​因素​是:​充分利用​了 NI LabVIEW FPGA​模​块​创建​复杂​FPGA​代码​的​能力​和​创建​了​一个​自​定义​设备​来​输出​凸轮轴、​曲轴、​进​气门、​离子​电流​和​缸内​压力​信号。

  

由​Alma Automotive​公司​提出​的​HIL​系统​(图​1)​集成​了​以下​硬件​和​软件​组​件:

  • 用​PXI​实​时​控制器​8110​开发​的​一个​完整​的​发动​机/​车辆​(摩托​车)/​驾驶​员​模型,​该​控制器​的​步​长​时间​为​500µs,​单​核​CPU​负荷​为​20%;
  • 用​自​定义​设备​实现​的​一个​高​带​宽​信号​发生​器,​该​自​定义​设备​用​来​产生​基于​模型​的​曲轴、​凸轮轴、​进​气门、​缸内​压力​和​离子​电流​信号,​也​用​来​获取​所有​的​ECU​输出​指令,​包括​点火、​喷射、​H​桥​和​中断​灯​等​指令。​该​自​定义​设备​是用​7852R​板​卡​实现​的。
  • 由​Alma Automotive​公司​设计​和​生产​的​一个​自​定义​的​I/​O​信号​调理​板,​将​ECU​模拟​输出​信号​转变为​TTL​数字​信号,​并​在​必要​时​增强​PXI 6723​的​模拟​输出​信号​(可变​磁​阻​信号,​VRS)。
  • 由​Alma Automotive​公司​设计​和​生产​的​一个​自​定义​的​执行​器​和​传感器​故障​插入​单元​(FIU)​和​一个​可以​提供​96​路​信号​的​外​置​接​线​盒。

 

 

车辆​仿真​模式​可​用于​开​环​(用户​驾驶​车辆)​或​闭​环​仿真​(驾驶​员​遵照​车辆​速度​轨迹)。​测​功​机​模式​也可以​模拟​试验​台​的​运行​状况。​发动​机​采用​多​变量​扭矩​图​建立​模型,​该​子​模型​输出​发动​机​的​扭矩、​空气/​燃料​比​和​其它​参数。​这些​输出​发送​到​定制​的​设备​以​产生​高​频​信号,​如​进​气​压力​信号。​发动​机​扭矩​用​来​提供​车辆​和​变速​器​子​模型,​动力​传​动​系统​组​件。​发动​机​和​车辆​速度​是​基于​发动​机​扭矩、​离合​器​位置、​插入​式​齿轮、​轮胎​运转​状况​和​前后​轮​上​的​实际​载​荷​来​计算​的。

 

驾驶​员​子​模型​通过​基于​扭矩​的​控制​逻辑​来​操纵​方向​盘、​刹​车、​离合​器​和​换​挡,​而​测​功​机​子​模型​计算​所​提供​的​扭矩​以​保持​发动​机​在​要求​的​转​速​和​负载​工作​条件下​运转。​还有​一个​热​交换​子​模型​来​评估​发动​机​的​冷却​液​温度;​电气​系统​子​模型​使​用户​可以​模拟​启动​器​和​启动​期间​的​电池​电压​水平。

 

系统​的​核心​是​由​Alma Automotive​公司​设计​的​NI VeriStand​自​定义​设备​插​件。​该​插​件​是​一个​发动​机​I/​O​子​系统​模拟​器,​可以​产生​双​通道​的​VRS/​霍​尔​传感器​信号,​信号​调理​后​的​电压​峰​峰值​达​120V、​基于​角度​的​可​配置​波形​和​4​通道​车轮​信号。​它​还​获取​12​通道​的​调理​高​电压​ECU​激励​信号;​16​通道​的​通用​高​电压​ECU​输出​信号,​如​开/​关,​频率​和​PWM;​8​通道​的​被​调理​至​120V​峰​峰值​范围​内的​模拟​输入​信号。​图​2​显示​了​该​自​定义​设备​的​设置​界面。​传感器​轮​的​齿​数​和​传感器​轮​的​类型​完全​可​配置。

 

 

由​Alma Automotive​开发​的​FIU​也是​基于​FPGA,​它​使用​FPGA​来​处理​400​多​路​需要​操作​开关​的​信号。​FPGA​的​确定​性​允许​在​系统​中​设定​安全​功能,​包括​用户​定义​的​故障​超​时、​全局​FIU​禁用​和​故障​总​线上​的​过​电流​监测。​先​合​后​断​的​FIU​操作​使用​用户​可​配置​的​负载​释放​延迟,​来​防止​故障​通道​中的​不​明确​状态。

 

由​Alma Automotive​开发​的​FIU,​在​电源​的​最大​电流​限制​为​2A​的​情况​下,​可以​处理​64​个​通道,​可以​访问​四​个​通用​的​故障​总​线。​开路​GND、​Vcc​和​VBATT​可​当作​电源​使用。​开关​状态​的​反馈​信息​可以​通过​320​个​LED​获得。

 

用户​既​可以​连接​实际​负载,​也可以​连接​仿真​负载。​当​使用​实际​负载​时,​如​节气​阀​体,​仿真​系统​就​会​读​取​反馈​传感器​如​节气​阀​电位​计​的​信息​并​供给​模型。​当​使用​仿真​负载​时,​如​虚拟​节气​阀​体,​反馈​信号​由​仿真​器​产生,​如​模拟​输出​通道,​并发​送给​ECU。​实际​负载​与​仿真​负载​之间​的​切换​通过​移动​外​置​接​线​盒​上​的​跳​线​来​完成。

 

该​系统​成功​地​与​目标​ECU​进行​了​连接,​图​3​显示​了​一个​典型​的​用于​HIL​测试​的​NI VeriStand​界面。

 

用户​可以​使用​现有​的​方法​和​台​架​测试​模式​着重​验证​所有​ECU​的​软件​和​硬件​功能。​使用​和​配置​非常​方便,​用户​可以​直接​进行​系统​重新​配置​而​不需要​请求​客户​支持。​NI PXI​平台​适合​与​第三​方​的​定制​开发​板​集成。

HIL​测试​系统​的​硬件​和​软件​能够​更新​以​减缓​过时,​这​一点​非常​重要。​因为​NI PXI​硬件​是​模​块​化​的,​并​基于​COTS​组​件,​所以​它​可以​很​容易​地​升级,​这​就​保证​了​系统​在​将来​也​会​运转。​NI VeriStand​具有​开放​的​架构,​易​与​LabVIEW​和​其它​开发​软件​集成,​因此​提供​了​必要​的​灵活​性​以​应对​随着​测试​要求​改变​可能​出现​的​任何​挑战。

 

作者​信息:

Enrico Corti
​Alma Automotive
​via Terracini 2/​c, 40131
​Bologna 40131
​Italy
​Tel: 00390519923806
​Fax: 00390510548470
​ecorti@alma-​automotive.it


​推荐​配置:

PXI 8110​性能​嵌入式​控制器
​PXI 6723​静态​和​波形​模拟​输出​模块
​PXI 7852R​多功能​RIO​模块
​NI LabVIEW FPGA​模块

 

作者​信息:

Enrico Corti
Alma Automotive
​via Terracini 2/​c, 40131
​Bologna 40131
​Italy
​Tel: 00390519923806
​Fax: 00390510548470
ecorti@alma-​automotive.it

图​1: ​ ​HIL​系统​集成 ​
图​2: ​ ​自​定义​的​曲轴​参考​信号​发生​器​设备 ​
图​3: ​ ​HIL​测试​控制​面板 ​