基于NI VeriStand与NI PXI平台的汽车ECU硬件在环测试系统

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“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要的实物测试次数。
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需的计算能力，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、传感器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系统所仿真的是由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、传感器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。

图1 HIL系统集成
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。

图2 自定义的曲轴参考信号发生器设备
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操作通过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，如节气阀时，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，如虚拟节气阀时，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。

图3 HIL测试控制面板
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根据需求不断更新，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并保证技术领先。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。