硬件在环(HIL)仿真应用中的LabVIEW FPGA

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硬件在环(HIL)仿真应用中的LabVIEW FPGA

硬件在环(HIL)仿真可以对虚拟运行环境中的设备进行非常逼真的模拟。一个典型的HIL系统包括用于从控制系统接收数据的传感器、用于发送数据的传动器、一个用于处理数据的控制器、一个人机界面(HMI)以及一个开发后仿真分析平台。National Instruments公司通过其创新的低成本模块化硬件和软件平台帮助工程师和科学家设计并建立自己的HIL系统。 NI 的R系列可重新配置型输入/输出硬件和LabVIEW FPGA 软件模块为HIL提供了更高性能的平台。

本文件简要介绍了经过改进的NI平台如何帮助您快速设计和配置您自己的HIL系统。
目录：
·简介
·HIL 概述
·用NI产品建立你自己的HIL系统
·NI帮助Woodward Governor公司成功实施HIL  
·结论


简介

嵌入式控制系统在控制典型机械系统中的不同组件时发挥了重要的作用。以小型无人驾驶飞机的自动导航装置的设计为例。设计中的一个微小错误可能导致价值2亿美元的飞机在传统测试中坠毁。在实际测试之前进行系统的软件模拟通常都没有多大意义，因为它不能与实际上的模拟和数字信号实时运行。这一难题使得HIL仿真成为了在最终运用之前对嵌入式控制系统进行测试的标准方法。

HIL仿真可以对虚拟运行环境中的设备进行非常逼真的模拟。一个典型的HIL系统包括用于从控制系统接收数据的传感器、用于发送数据的传动器、一个用于处理数据的控制器、一个人机界面(HMI)以及一个开发后仿真分析平台。National Instruments公司通过其创新的低成本模块化硬件和软件平台帮助工程师和科学家设计并建立自己的HIL系统。 NI的R系列可重新配置型输入/输出硬件和LabVIEW FPGA软件模块为HIL提供了更高性能的平台。


HIL 概述

设计周期中的HIL
传统测试方法，即静态测试，通过提供已知输入和测量输出对特定组件的功能进行测试。目前公司都面临着将产品更快推向市场和缩短设计周期的压力，这引发了市场对于动态测试（动态测试在组件以实际或模拟形式参与整个系统共同运行的情况下对其进行测试）的需求。出于成本和安全考虑，相对于在实际系统中测试每一个组件， 用实时硬件对系统其它部分进行模拟是较好的方法。与静态测试相比，动态测试的测试条件更为广泛。采用此方法进行动态测试被称作硬件在环(HIL)模拟。

HIL是设计周期不可分割的一部分。下面的图1显示了汽车、航空和国防工业常用的嵌入式控制系统的设计周期。


图1. 控制设计周期
图中文字：
system definition－系统定义，control design－控制设计，system testing－系统测试，
rapid prototyping－快速建模， hardware-in-the-loop testing－硬件在环测试，
targeting－确定目标

控制设计周期包括几个不同的设计和测试阶段。系统定义 阶段记录下系统的需求和要求。快速建模 阶段开发用于测试实际系统中的基本概念和理念的原型控制器。实际系统可以通过软件或软件与硬件的结合进行仿真。HIL测试的理念与快速建模类似，即在组件与实际系统其它部分相连时对其进行模拟。National Instruments公司的 LabVIEW和PXI在工业中被广泛应用于快速建模的应用系统。


图2. 快速建模
图中文字：
ECU design－ECU设计，real engine－实际发动机
在建模和验证完成后，程序必须在确定目标 阶段应用于最终生产控制器上配置程序。在目标阶段开发出控制器之后，需要将控制器作为实际系统的一部分进行测试。通常实际系统都十分昂贵，因此必须通过对实际系统的仿真来测试控制器。如果控制器在HIL仿真阶段运行良好，就可在实际系统中对其进行测试。


图3. 硬件在环
图中文字：
real ECU－实际ECU，engine model－发动机模型

HIL的优点
HIL仿真最显著的优点是可以对实际情况进行模拟，而不会产生实际危险。例如，它可以对自动导航装置进行全面测试，而不会让价值2亿美元的飞机承担任何风险。此外， HIL仿真还有其它许多优点， 利用HIL您可以在真实世界中不能实现的极端条件下对控制装置进行测试。即使在炎热的夏季，您也可以为车辆测试模拟出冬季的路面条件。您可以在极端条件下测试控制装置 － 在理论上汽车可以达到的最高行驶速度下进行测试。HIL还可以帮助您找出控制装置中的不足，即使它们只在特定情况下发生。 利用HIL可以将输出作为现有输入以及过去输入的函数进行计算， 运用HIL可以在整个系统未准备好的条件下对硬件子系统进行测试，使得测试成为开发流程（从设计直到运行）的一个有效组成部分。HIL可帮助您在有充分证据的条件下对特殊的设计替代方案作出早期决策， 这样控制器在将来客户的应用环境中就能有效运行。功能强大的高逼真度HIL实时仿真不仅通过缩短开发周期加快了产品上市时间，还由于测试期间无需使用实际硬件而降低了设备成本以及相关的维护成本。



用NI产品建立您自己的HIL系统

假设您刚完成了一个用于汽车的电子柴油控制装置(EDCU)的制造， 其主要功能是控制注入发动机的油量以及发动机定时。在将EDCU 装入真正的汽车之前，你需要在包含EDCU 以及汽车模拟器的HIL系统中对其进行测试。 为了尽可能逼真地模拟汽车，您需要模拟进入EDCU 的实际信号并将系统的动态特性考虑在内。这样的HIL系统采用硬件来产生和接收实际信号，采用软件来模拟系统的运作。

您必须选择恰当的组件构造一个完整的HIL系统： 使用传感器和传动器向EDCU发出信号并接收来自EDCU 的信号; 使用处理装置执行模拟所需的运算; 使用人机界面和开发设备进行模拟。通常人机界面和开发设备使用同一设备， 您可以使用一个子系统进行后仿真分析。图4显示了典型HIL系统的架构。


图4. 典型HIL系统的架构
图中文字：
control unit under test－被测控制单元， sensors control & simulation calculations－传感器控制和模拟运算， actuators－传动器，HMI and development－人机界面和开发设备， post simulation analysis－后仿真分析

在设计您的HIL系统时有五个主要因素需要考虑：
· 系统应接受多种控制单元配置。
· 对控制单元进行微小改动不会导致设计出完全不同的系统。
· 系统应既能进行开环测试，也能进行闭环测试。
· 系统应是开放式的、可扩展的。
· 最为重要的一点是系统在组件和开发时间方面的成本应合理。


传感器和传动器
HIL系统的主要用途是尽可能真实地模拟现实世界， 尽可能准确地模拟进入控制器的以及从控制器发出的模拟和数字信号是设计此类系统时的两大挑战。使用的硬件应具有足够多的输入和输出通道， 而且硬件应尽可能准确地产生多种复杂信号，例如：
· 波形 －可变磁阻传感器，模拟负载/振动
· 计数器 － 脉冲，脉冲宽度调制
· 数字信号
硬件应提供灵活的信号调节接口，并且必须与工业标准协议（如CAN、 RS-422/232/485、 J1850 和MIL1553）兼容， 最为重要的是硬件应具有模块化、灵活和经济的特性。

图 5. National Instruments公司的硬件产品
图中文字：
Serial－串行， motion－运动

利用NI产品您可以方便地获取来自常用传感器（如热电偶、RTD、热敏电阻、应变仪、动态传感器和LVDT）的信号， 产生不同的模拟信号来仿真（譬如）飞机的振动、空速和加速度。如果您的应用中含有来自控制单元的射频输出，则可利用NI的射频产品获得2.7 GHz 的高带宽频率信号。您可以生成用于继电器、开关、LED以及握手信号及数字信号， 还可将数字信号用于脉冲和频率的输入/输出等定时应用， 例如，可以使用脉冲宽度调制信号来模拟用于描述马达转速的信号。除了用于RS-232/422/485协议的硬件以外，还有可在最高1 Mb/s 的速度下与CAN协议相连接的硬件可供选择。NI还提供一套图像采集和运动控制产品， 利用这些您就可以创建一个功能极为强大的HIL系统。NI的所有硬件产品都通过一个公用的软件界面进行通信，便于进行系统集成。

NI最新推出的PXI-7831R可重新配置型输入/输出模块大大改进了硬件和软件平台在信号生成和获取方面的性能。由于该产品基于FPGA 技术，您可以对其进行配置以满足系统的特殊要求。NI PXI-7831R 配有八个转换时间为4.3 ?s 的16位模数转换器和八个更新时间为1.0 ?s 的16位数模转换器， 您可以将96根DIO线中的任何一根配置为计数器、脉宽调制通道或用户自定义数字通信协议的端口。由于在芯片级进行PXI-7831R的配置，您可以在25 ns的精度下执行您自己的触发逻辑，并使任何模拟或数字输入或输出与其它输入/输出同步。所有这一切都通过LabVIEW这一简单易用且符合工业测量和自动化标准的图形化编程环境实现。

举例来说，定制一个包含八十个16位计数器的板卡成本高且费时。如下图所示， 一个简单的LabVIEW 程序就可以为PXI-7831R 编制这样一个计数器：在将整套程序下载到板卡上之后，PXI-7831R 就如同一个包含80个计数器的定制板卡一样运行， 而在采用Windows 甚至实时操作系统的软件中配置这样的计数器都不会获得同样好的效果。

图 6. 可方便地编制计数器的LabVIEW FPGA 程序

人机界面和开发设备
仿真的某些参数必须在系统执行操作时实时显示，有时还需进行调整。要使仿真实时显示，人机界面非常重要。通常人机界面是一台计算机，该计算机同时充当用于编写接入实时系统中的模拟和控制代码的开发设备， 开发设备可以是一台单独的PC机或PXI控制器。

在开发方面，您必须选择正确的编程环境，以便与系统中所有的硬件相配合并实现高效的编程。这样的开发环境应是开放式的（以便从其它程序中导入代码模块），还应是模块化的（以便重新使用代码），而最重要的是它应能与所有硬件方便地连接。编程环境要使用多个因域而异的函数库，使其具有强大的分级模型化能力。编程环境应具有较强的错误处理能力，并能记录数据供以后分析使用。许多工程师都选择将一台计算机同时用作开发设备和人机界面。

图7. LabVIEW人机界面

LabVIEW将优秀的人机界面和开发环境融于一体， 它提供了最佳的数据采集、分析和显示方法。利用LabVIEW您不但可以快速建立数据采集系统、测量系统和控制系统，从而提高生产率并节省开发时间， 还可以快速创建用于软件系统的交互控制的用户接口。LabVIEW 与测量硬件的紧密结合有助于快速开发数据采集、控制、分析和显示解决方案。

LabVIEW仿真接口工具包实现了LabVIEW和MathWorks Simulink? 软件（运用该软件你可以将你的模拟模型从Simulink?导入LabVIEW中）之间的无缝连接。 LabVIEW实时模块和LabVIEW FPGA 模块安装在LabVIEW 之中，为您的整个HIL系统提供综合开发环境。您可以将程序通过以太网下载至各个可重新配置的实时输入/输出目标中。

图 8. LabVIEW 仿真接口工具包
图中文字：
LabVIEW sinks and sources－LabVIEW接收器和接收源， Simulink?model imported into LabVIEW－导入LabVIEW中的Simulink?模型， simulation interface VI to call DLL－用于调用DLL的模拟接口VI

控制和模拟运算
接收自控制器的信号在真实情况下是送往其正在控制的机械系统。模拟机械系统的一项重要工作就是建立系统的动态模型。为使模拟与真实世界尽可能接近，此项工作需要在基于计算机的快速、确定的系统中进行，。模拟系统的速度应等于或大于控制器的取样速度。而且，输入/输出处理（如解码脉宽调制信号或自定义协议）和输出波形或脉冲串的编制通常必须在比主控制回路快得多的速度下进行。

图 9. FPGA 上的LabVIEW 程序

NI平台为多种配置（如以下各例）中的控制和模拟运算提供完整的解决方案。
· 采用LabVIEW 的基于Windows 的非确定性解决方案
· 确定性LabVIEW实时解决方案
· 可完全重新配置的确定性LabVIEW FPGA 模块解决方案，改进了定时性能和高速输入/输出之间的同步性能。
· 以上几种方案的组合

将可重新配置型输入/输出模块NI PXI-7831R与在一个专用控制器上运行的LabVIEW实时模块相结合是控制和模拟运算的极佳解决方案。LabVIEW实时模块提供了确定的实时性能以及基于Windows的易操作开发环境。您可以在一台开发计算机上开发出您的LabVIEW实时应用程序，然后再下载到一个PXI控制器（工业PC）中，这样程序就在一个实时操作系统中运行。 需要较多使用计算机的操作可以在实时目标上进行，而需要较好定时和同步的操作可以在可重新配置型输入/输出装置上进行。LabVIEW实时模块和LabVIEW FPGA 模块的组合是控制和模拟运算的绝佳选择。

后仿真报告生成
人机界面和开发子系统记录的数据可以用于分析，以便改进性能和逐步重现模拟过程。NI DIAdem是专为交互式数据分析、报告生成和数据管理设计的基于配置的软件包， 运用DIAdem您可以在无需编写程序的条件下对测试数据进行有效的分析，并可通过一整套可视化工具（如图形和表格）对结果进行检查。DIAdem可以从多种格式的文件中和工业标准数据库（如HIL应用中普遍使用的SQL/ODBC/ADO和ASAM）中导入数据。DIAdem可以从不同的测试配置中导入数据记录，并通过常用模板生成报告。 而且DIAdem还可与LabVIEW完美地集成，使其成为HIL应用中后仿真报告生成的理想解决方案。

图 10. 用于后仿真报告生成的DIAdem



NI帮助Woodward Governor公司成功实施HIL

Woodward Governor公司设计、生产并维护飞机和工业发动机及涡轮机中的能源控制系统和组件， 自1870年公司成立以来，Woodward的业务已涉及发电、加工、运输和航天市场。在为测试其新型128引脚发动机控制器而定制发动机仿真器的时候，该公司选择了National Instruments公司的 LabVIEW FPGA 模块和NI PXI-7831R。在LabVIEW FPGA提供的简单编程环境下，Woodward通过对PXI-7831R进行编程而实现了多个输入/输出设备之间的精确同步，且无需增加任何板卡。Woodward Governor 高级软件工程师Matthew Viele说道：“该系统满足甚至超出了我们的要求，与制作我们自己的FPGA板卡相比，其成本降低了90％。我们很高兴能与NI合作，它提供了优秀的技术支持小组和很棒的文献资料。”

发动机控制器是用于汽车发动机和传动系控制的电子装置， 它接收传动速度、曲轴和凸轮轴速度以及油门位置等信号。模块对此信息进行处理，以产生用于控制发动机的信号和传动系参数。

为了测试这些发动机控制器，Woodward的工程师需要精确模拟和监测不同的行驶条件。要进行这样的模拟，控制器必须认为其正在接收来自汽车的实际信号， 这些信号包括用于爆震、火花、发动机位置传感器，燃油喷射器以及歧管压力的约为24 kHz 的同步信号。200 Hz的异步信号包括开关、温度、脚踏板、油门和汽车行驶速度。

故障测试和回归测试是Woodward 进行模拟的两个主要目的。故障测试包括检查爆震、超速和过温， 出现以上任一故障都会导致发动机完全损坏。回归测试旨在确保平台的稳健性。Woodward 的工程师需要确保对一台发动机的控制器进行的任何改动都不会损坏以前的发动机。

以下列出了Woodward构建的模拟系统的主要部件：
· 需要测试的发动机控制器
· 带有实时模块和FPGA 模块的LabVIEW
· 2个 NI PXI-7831R 可重新配置型输入/输出模块
· 具有512 MB RAM的 NI PXI-8176 RT 高性能实时控制器
· NI PXI-1042 8槽机箱
· 电缆和接线板

由于系统在极高的速度下运行，多个输入/输出设备之间的精确同步就显得极为重要。PXI-7831R向控制器输出一个可变磁阻传感器信号，并确保控制器在适当的时间和正确的电流下打开和关闭燃油喷射器。模拟系统将这些发动机和传动系信号发送给控制器。有些送出的信号组包括系统中的爆震信号，控制器此时会根据接收到的参数探测出是否存在爆震信号。随后系统会对控制器的输出进行监测，以确定控制器是否正确探测出爆震。

与Woodward 自行开发系统相比，基于LabVIEW FPGA 模块的系统在实现精确且同步的波形生成和获取方面具有明显的优点。LabVIEW解决方案不仅降低了成本，还通过工业标准的LabVIEW图形化编程环境提供了简单易学的环境。



结论

得益于当今计算机所具有的强大功能和灵活性，工程师和科学家越来越多地使用基于PC机的系统进行HIL仿真应用。开发这种系统的一个关键要素是将信号生成/采集I/O设备与用于模拟系统的软件集成于一体。HIL仿真应用的主要挑战是如何使数量极多的这种I/O设备在高速下同步， 以及如何快速将信号数据转换为输入和输出信息和将输入和输出信息转换为信号数据。由于这是此类应用的关键，工程师和科学家们为此专门定制系统， 而定制此类系统涉及电路设计和复杂的VHDL编程工作，不但成本较高，而且还极为费时。

NI为工程师和科学家提供用于HIL仿真应用的低成本创新模块化硬件和软件平台。 运用最新推出的LabVIEW FPGA模块和可重新配置型输入/输出模块，您可以在高速状态下实现多个输入/输出功能的同步。无需学习复杂的硬件和软件编程知识，您也可以为具有挑战性的设计问题开发自己的解决方案。运用LabVIEW FPGA模块和PXI-7831R开发的系统不仅可以缩短开发时间，而且节省开发成本。此外NI还提供一整套数据采集、GPIB、运动、显示和数据管理产品，为您开发自己的HIL仿真系统提供了多种现成组件。

李小路

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