此技術文章將逐步說明所有必要項目,並延伸至 HIL 系統的選用建構區塊,以及 NI HIL 測試系統架構的因應方式。起始點是 DUT 及其測試需求,其中定義了 HIL 設定的必要功能。
本技術文章逐步說明 NI 硬體迴路 (HIL) 測試系統架構,以及其由靈活、開放且模組化建置區塊所組成的原理。起點由受測裝置 (DUT) 的測試需求所界定,接著逐步介紹基本的軟硬體元件、訊號路徑的概念,以及訊號路徑如何成為完成 DUT 與受控對象模型 (模擬) 之間迴路的關鍵。此外,我們也將進一步介紹我們與合作夥伴生態系統提供的選用建置區塊,並涵蓋各式各樣的 HIL 應用需求,從小型桌上型系統到完整整合的 HIL 設定,以及跨越多種不同產業的需求。
硬體迴路 (HIL) 測試是驗證與確認嵌入式控制系統的重要方法。HIL 可讓工程師安全、有效率且能重複模擬實際條件與測試系統行為。隨著裝置日益複雜且趨向軟體定義,可擴充、可靠且可維護的 HIL 平台也變得越來越重要。
複雜度越來越高,因此驗證作業會提早進入開發週期,這一趨勢通常稱為「左移」。與其等到實體硬體可用,團隊越來越常在需求與設計階段,針對系統 (受控對象) 的虛擬模型驗證控制邏輯,只有在早期階段降低設計風險後,才會進行實體 DUT 測試。模型架構工程與數位孿生是這項轉變的核心:單一受控對象模型一旦建置完成,即可重複使用,先進行軟體迴路 (SIL) 模擬,接著進行 HIL 測試,最終再與實體系統的現場資料進行比較。如需詳細資訊,請參閱 NI 航太與國防數位轉型頁面,以進一步了解此工作流程。
要讓重複使用方式在實際運作中發揮作用,HIL 平台的軟硬體必須支援介面、執行引擎、模型等互換的建置區塊,才能在整個產品開發階段充分運用已建立的測試序列。
HIL 系統的基本要素 (在何謂硬體迴路白皮書中介紹) 需要下列核心元件,如圖 1 所示:
圖 1.在 HIL 測試系統設定中的控制迴圈
由於 HIL 測試的重點主要在於驗證在單一或多個實際控制器 (或至少在快速原型驗證平台上執行的嵌入式軟體),因此必須考慮到許多需求。至少包含下列項目,如圖 2 所示:
圖 2. 在 HIL 測試系統設定中,從 DUT (含其測試需求) 開始著手。
要將 DUT 實際連接至任何測試系統,I/O 與匯流排連線是不可或缺的要素。必須模擬廠房模型/模擬,才能模擬 DUT 周遭的缺少元件與環境 (將資料輸入至 DUT 並從 DUT 輸出資料),最終為 DUT 建立虛擬實境。這些模型與模擬軟體堆疊必須在即時平台上精確執行,以確保 HIL 系統能夠在預期的時序限制 (無延遲與最小抖動) 內讀取與寫入 DUT 輸入與輸出。確定性執行是確保準確呈現 DUT 作業環境的必要條件;因此,在 HIL 驗證中,必須根據時序限制準確模擬。此外,在多數情況下,訊號、I/O 與匯流排之間必須達到精確的時序與準確的同步化,才能滿足 DUT 需求。
雖然這些都是核心必備項目,但請務必考慮額外的需求,以盡可能擴大測試範圍,並進一步提升 DUT (產品) 的品質。因此,我們也應該考慮到這些後續需求,並在本文件後續各節進一步說明這些需求:
定義這些需求後,即可據此設計 HIL 系統本身。測試案例與測試情境將是 HIL 系統的主要輸入與驅動因素。此外,列出 I/O 與匯流排介面,也是指定測試設備的關鍵。I/O 與匯流排可將 DUT 連接至 HIL,並且對於與受控對象模型完成閉迴路至關重要。這些連線 (迴圈) 稱為訊號路徑,是訊號或資料從 DUT 傳送至廠房模型,再回傳的方式,如圖 3 所示。
圖 3. 訊號路徑會將 DUT 連接至受控對象模型,並通常完成閉迴路。
I/O 與匯流排介面本身並不足以關閉訊號路徑,因為這類介面需要一個即時運算平台,其中包含適用於資料處理、模型執行與控制的時序與同步化功能,如圖 4 所示。
圖 4. 包含即時運算與 DUT 連線的硬體訊號路徑
在 NI HIL 測試系統架構中,商用現成 (COTS) 平台 (如 PXI 與 NI CompactRIO) 可滿足 I/O 整合以及運算 (處理器與 FPGA 架構)、時序與同步化等需求。CompactRIO 提供更輕巧、更堅固耐用的平台,適用於嚴苛的環境,而 PXI 架構系統則更適合用於效能更高的用途。CompactRIO 系統一律以 3 項主要元件為基礎:
提供 CompactRIO 與 PXI 平台,可簡化 NI 測試功能的擴充作業,以因應需求變化。雖然 CompactRIO 與 PXI 可針對不同的效能、尺寸與部署需求進行最佳化處理,但全都採用相同的 HIL 整體架構。常見的軟體、訊號流、模型、工具與工作流程,讓工程師不需改變整體方法,就能開始使用精巧的桌上型 HIL 系統,並且擴充至元件層級與系統層級的 HIL 部署。
NI PXI 平台是一種模組化的開放式高效能硬體,是許多現代 NI HIL 系統的核心建構元件之一。PXI 專為測試、量測與自動化應用所開發,結合了 PCI Express 匯流排的電氣特性、堅固耐用且輕巧的規格,以及整合的時序與同步化功能。針對 HIL 應用,PXI 提供靈活、可擴充且支援完善的基礎,可用於建立能隨產品需求演進的可靠測試系統。圖 5 顯示了用於 HIL 測試的 NI PXI 系統範例,其中顯示 PXI 機箱、嵌入式控制器、時序與同步化資源、模組化 I/O 與匯流排介面卡、儀控設備與軟體元件。
圖 5.PXI 測試與量測系統剖析
PXI 結合了效能、模組化與軟體整合特性,因此特別適合用於 HIL 測試,能提供:
PXI 與 CompactRIO 模組提供核心 I/O 功能,但通常需要額外的功能才能有效介接 DUT。這些延伸功能包含:
這些功能通常會使用另一項核心建置元件,即 NI 切換負載與訊號處理 (SLSC) 平台來實現,該平台可管理 DUT 介面所需的電氣調適、保護與彈性,進而補充 PXI 與 CompactRIO 等平台。
SLSC 系統由下列核心元件組成,如圖 6 所示:
圖 6. SLSC 系統剖析
SLSC 模組的複雜度不同。有些專為單一功能 (層級移轉),而其他則將多種功能 (故障植入與訊號處理) 整合在同一個模組中。每個 SLSC 模組都會根據其功能類型與相關參數來定義,就像 PXI 或 CompactRIO I/O 模組一樣。例如,故障植入單元 (FIU) 可能由下列項目指定:
若要將 PXI 與 CompactRIO 模組連接至 SLSC 層,則會使用現成可用的標準連接線與後轉接介面 (RTI) 的組合。這些連線能保持訊號完整性、簡化系統整合流程、減少錯誤,並支援跨專案重複使用。
圖 7 顯示了典型的數位 I/O 訊號路徑,其中包含 SLSC 模組 (介接 DUT) 與機箱、RTI 與接線,以及 PXI 模組與機箱。這種模組化且分層的架構可讓團隊使用多數 COTS 元件建置高度可客製化的測試系統,進而縮短客製化開發時間、減少出錯機率並提高維護性。
圖 7.建立以 COTS 元件為基礎的硬體訊號路徑
結合 PXI/CompactRIO 平台與 SLSC 系統,即可建立功能強大的互補硬體堆疊,支援多種訊號路徑:
將這些職責明確分開,工程師就能獲得以下優勢:
這種方式讓團隊僅選擇所需的建置區塊 (含其他選項),並且專心開發測試邏輯,而不是設計用於 HIL 測試的客製硬體。
圖 8 的圖表顯示 NI PXI 與 NI SLSC 如何搭配使用 FPGA 架構 I/O、即時處理、訊號處理、故障植入、感測器模擬、負載模擬與網路介面來連接 DUT。
圖 8.透過 SLSC 與 PXI 架構硬體訊號路徑連接 DUT
許多不同的 I/O 類型、匯流排通訊,以及感測器模擬與負載模擬都需要訊號路徑。因此,它們以不同的 I/O 類別為架構,每個類別皆可滿足不同的測試需求。
用來模擬或量測基本的電氣狀態或值:
支援模擬或介接產業特定的與工業級通訊協定:
支援使用這些及其他儀器進行高精度訊號產生與量測:
除了先前所述的訊號路徑之外,還有更多適用於特定使用案例:
每種 I/O 類型都有各項會影響系統效能的規格,包含:
在 NI HIL 測試系統架構中,這些訊號路徑通常會使用 PXI 或 CompactRIO 模組來執行。有些應用也需要專屬的 SLSC 模組才能完成訊號路徑。我們提供涵蓋每個訊號路徑設定的完整說明文件。圖 9 為參考頁面的範例,當中顯示了具備 FIU 訊號路徑的類比輸入高電流,包括主要電氣規格、必要的 NI SLSC 與 PXI 元件 (包含零件編號),以及完整硬體互連的接線圖。
圖 9.具有故障植入的類比輸入高電流訊號路徑說明文件範例
參考資料與使用說明如下:
使用 PXI 或 CompactRIO 平台,以及透過 SLSC 功能擴充 NI HIL 測試系統架構後,DUT 與實體 HIL 系統之間的硬體訊號路徑便已完成閉迴路。圖 10 示意結合 PXI、SLSC、即時運算與應用軟體的完整硬體訊號路徑。圖表顯示可選的故障植入、切換、負載模擬與訊號處理功能如何完成 HIL 硬體架構。
接下來,軟體 (資料路徑) 中的訊號路徑仍需完成。需使用 HIL 測試應用軟體來完成此作業,該軟體應涵蓋下列需求:
圖 10.使用應用軟體關閉迴圈並完成訊號路徑
圖 11.NI VeriStand—適用於 HIL 與即時測試系統的 NI 應用軟體
NI VeriStand 是一款 HIL 與 Real-Time 測試應用軟體,可將這些硬體建置區塊相互連結。VeriStand 可以滿足上述需求,也可以提供適用於其他軟體工具鏈的介面,例如 MathWorks® MATLAB® 或 Simulink® 軟體,以便連接並整合所需的功能。如此即可建立連貫的工作流程,從手動建置與啟動 HIL 系統及 DUT、初始測試,到完全自動化的測試執行。
VeriStand 的主要功能包含:
您可在這裡找到適用於 NI VeriStand 的入門播放清單,其中涵蓋準備與編譯 Simulink® 模型、新增資料擷取 (DAQ) 通道、整合與映射模型與 I/O、設定即時測試序列等主題。
圖 12. 透過 SLSC、PXI 與 VeriStand 將 DUT 連接至受控對象模型的完整訊號路徑
雖然 VeriStand 的這些核心功能已涵蓋 HIL 應用程式軟體堆疊的大部分,但 VeriStand 還有更多外掛程式,可進一步擴充其功能與功能組合;這些選用的建構區塊可視需要運用。NI 與 NI 合作夥伴生態系統提供的外掛程式,可反映 NI 測試系統軟體不可或缺的整體開放性與使用者客製化功能。下列清單列舉多款 VeriStand 外掛程式:
NI PXI (或 NI CompactRIO)、NI SLSC 與 NI VeriStand 的組合構成 NI HIL 測試系統架構的核心建置區塊。不過,即使符合初期定義的 DUT 需求,在設定與運作 HIL 系統時也必須進一步考量。舉例來說,還要特別注意硬體主題,包括機架選項 (NI ATE Core Configurations)、電源供應器與配電,以及潛在的大量互連與訊號分接選項。圖 13 顯示了完整的機架式 NI 硬體迴路系統。
圖 13.機架式 NI HIL 測試系統,包含 NI TestStand 與 NI SystemLink
在軟體方面,以 CI/CD 管線整合、資料分析、需求與資產管理為基礎的超自動化作業,可能是額外的重點。我們的進階軟體包括 NI TestStand (測試系統執行與測試序列)、NI DIAdem (資料管理、分析與報告製作) 與 NI SystemLink (測試系統與資產管理),以及廣大的 NI 合作夥伴生態系所提供的貢獻,可將 NI HIL 測試系統架構延伸至這些領域。NI 平台在硬體與軟體方面的開放性與可互通性,始終支援客製化及整合第三方技術。因此,使用者可以完全掌控自身的測試系統設備與工作流程。
航太與國防、汽車、工業機械等多種產業的系統越來越以軟體為驅動,HIL 測試在確保複雜電子與嵌入式系統的穩定性、安全性與效能方面發揮相當重要的作用。為了跟上軟體定義裝置與系統的快速發展,HIL 平台的設計必須以靈活性、擴充性與整合為考量。圖 14 的圖表說明如何將 HIL 測試需求對應至 NI 解決方案堆疊。圖表顯示需求管理、模擬模型、PXI、SLSC、VeriStand、TestStand、SystemLink、DIAdem 與合作夥伴工具如何結合,建立端對端 HIL 驗證工作流程。
圖 14.配合 NI HIL 測試系統解決方案的 HIL 測試堆疊需求
我們與合作夥伴不斷開發 NI HIL 測試系統架構與基礎平台,以符合最新技術,並滿足現代 HIL 測試必須符合的所有需求,支援高效且有效的嵌入式軟體驗證,包括:
透過這些模組化建置區塊,NI HIL 測試系統架構可開發並執行靈活且成本最佳化的 HIL 測試解決方案,從桌上型配置到元件層級的設備,均涵蓋完整的整合 HIL。此外,NI HIL 測試系統架構可應用於幾乎所有產業的多種應用 (DUT)。
圖 15. 將 NI HIL 測試系統架構應用於應用 (DUT) 與產業
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