“NI VeriStand與NI PXI平臺的結(jié)合滿足了用戶對I/O、計算能力、信號仿真和數(shù)據(jù)分析等功能的需求，而且是完全開放和模塊化的。”–Enrico Corti, Alma Automotive.

挑戰(zhàn)：

基于商業(yè)現(xiàn)成(COTS)的硬件，為發(fā)動機和整車的實時仿真開發(fā)一個模塊化的硬件在環(huán)(HIL)測試系統(tǒng)，以減少嵌入式軟件驗證過程中所需要的實物測試次數(shù)。

解決方案：

基于NI VeriStand實時測試軟件和NI PXI硬件的測試系統(tǒng)提供了用戶所需的計算能力，可以利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)硬件實現(xiàn)高速控制，同時，各種不同的I/O不僅能保證該HIL系統(tǒng)可以滿足當(dāng)前的需求，而且可進行功能擴展以滿足未來的應(yīng)用需求。

Alma Automotive是一家總部設(shè)在意大利北部的公司，為汽車的校準(zhǔn)、控制和測試提供定制的解決方案。Alma Automotive根據(jù)客戶的需求，提供純軟件（模型或基于模型的分析），或集成硬件和軟件的解決方案。Eldor公司提供汽車電子組件，如線圈、傳感器系統(tǒng)和電子控制單元(ECU)。

因為HIL系統(tǒng)可以用來實現(xiàn)自動化和標(biāo)準(zhǔn)化測試，所以它們是ECU測試的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)市場上可用的HIL系統(tǒng)提供的是不能擴展或定制的標(biāo)準(zhǔn)功能，Eldor公司選擇了由Alma汽車公司提出的HIL解決方案，因為該方案的硬件和軟件是開放的，并可以完全根據(jù)他們的需求定制。

HIL系統(tǒng)所仿真的是由ECU控制的設(shè)備，所有進入ECU的實際信號必須由HIL測試系統(tǒng)產(chǎn)生的信號代替。因為目標(biāo)是測試ECU的功能，所以仿真必須實時運行。模型必須精確地對ECU命令進行響應(yīng)，以測試整個嵌入式控制系統(tǒng)。對于某些類型的信號，復(fù)現(xiàn)一個正確的時基是很困難的，因為高頻率的信號需要與曲軸的瞬時位置同步。這種典型的例子包括缸內(nèi)壓力、加速度計、離子電流和進氣壓力信號。

目前市場上有很多的HIL系統(tǒng)可供選擇。大多數(shù)系統(tǒng)的主要缺點是缺乏對HIL供應(yīng)商所提供的基礎(chǔ)函數(shù)庫進行定制的工具，很難訪問底層（類似FPGA）函數(shù)，因此這些系統(tǒng)無法滿足顧客的需求。

NI VeriStand與NI PXI平臺的結(jié)合滿足了用戶對I/O、計算能力、信號仿真和數(shù)據(jù)分析等功能的需求，而且是完全開放和模塊化的。決定該應(yīng)用成功的兩個關(guān)鍵因素是：充分利用了 NI LabVIEW FPGA模塊創(chuàng)建復(fù)雜FPGA代碼的能力和創(chuàng)建了一個自定義設(shè)備來輸出凸輪軸、曲軸、進氣門、傳感器電流和缸內(nèi)壓力信號。

由Alma Automotive公司提出的HIL系統(tǒng)（圖1）集成了以下硬件和軟件組件：

?   用PXI實時控制器開發(fā)的一個完整的發(fā)動機/車輛(摩托車)/駕駛員模型，該控制器的步長時間為500µs，單核CPU負(fù)荷為20%；

?   用自定義設(shè)備實現(xiàn)的一個高帶寬信號發(fā)生器，該自定義設(shè)備用來產(chǎn)生基于模型的曲軸、凸輪軸、進氣門、缸內(nèi)壓力和離子電流信號，也用來獲取所有的ECU輸出指令，包括點火、噴射、H橋和中斷燈等指令。該自定義設(shè)備是用7852R板卡實現(xiàn)的。

?   由Alma Automotive公司設(shè)計和生產(chǎn)的一個自定義的I/O信號調(diào)理板，將ECU模擬輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>TTL數(shù)字信號，并在必要時增強PXI 6723的模擬輸出信號(可變磁阻信號，VRS)。

?   由Alma Automotive公司設(shè)計和生產(chǎn)的一個自定義的執(zhí)行器和傳感器故障插入單元(FIU)和一個可以提供96路信號的外置接線盒。

Figure 1: HIL System Integration

圖1 HIL系統(tǒng)集成

車輛仿真模式可用于開環(huán)（用戶駕駛車輛）或閉環(huán)仿真（駕駛員遵照車輛速度軌跡）。測功機模式也可以模擬試驗臺的運行狀況。發(fā)動機采用多變量扭矩圖建立模型，該子模型輸出發(fā)動機的扭矩、空氣/燃料比和其它參數(shù)。這些輸出發(fā)送到定制的設(shè)備以產(chǎn)生高頻信號，如進氣壓力信號。發(fā)動機扭矩用來提供車輛和變速器子模型，動力傳動系統(tǒng)組件。發(fā)動機和車輛速度是基于發(fā)動機扭矩、離合器位置、插入式齒輪、輪胎運轉(zhuǎn)狀況和前后輪上的實際載荷來計算的。

駕駛員子模型通過基于扭矩的控制邏輯來操縱方向盤、剎車、離合器和換擋，而測功機子模型計算所提供的扭矩以保持發(fā)動機在要求的轉(zhuǎn)速和負(fù)載工作條件下運轉(zhuǎn)。還有一個熱交換子模型來評估發(fā)動機的冷卻液溫度；電氣系統(tǒng)子模型使用戶可以模擬啟動器和啟動期間的電池電壓水平。

系統(tǒng)的核心是由Alma Automotive公司設(shè)計的NI VeriStand自定義設(shè)備插件。該插件是一個發(fā)動機I/O子系統(tǒng)模擬器，可以產(chǎn)生雙通道的VRS/霍爾傳感器信號，信號調(diào)理后的電壓峰峰值達(dá)120V、基于角度的可配置波形和4通道車輪信號。它還獲取12通道的調(diào)理高電壓ECU激勵信號；16通道的通用高電壓ECU輸出信號，如開/關(guān)，頻率和PWM；8通道的被調(diào)理至120V峰峰值范圍內(nèi)的模擬輸入信號。圖2顯示了該自定義設(shè)備的設(shè)置界面。傳感器輪的齒數(shù)和傳感器輪的類型完全可配置。

圖2 自定義的曲軸參考信號發(fā)生器設(shè)備

由Alma Automotive開發(fā)的FIU也是基于FPGA，它使用FPGA來處理400多路需要操作開關(guān)的信號。FPGA的確定性允許在系統(tǒng)中設(shè)定安全功能，包括用戶定義的故障超時、全局FIU禁用和故障總線上的過電流監(jiān)測。先合后斷的FIU操作通過用戶可配置的負(fù)載釋放延遲，來防止故障通道中的不明確狀態(tài)。

由Alma Automotive開發(fā)的FIU，在電源的最大電流限制為2A的情況下，可以處理64個通道，可以訪問四個通用的故障總線。開路GND、Vcc和VBATT可當(dāng)作電源使用。開關(guān)狀態(tài)的反饋信息可以通過320個LED獲得。

用戶既可以連接實際負(fù)載，也可以連接仿真負(fù)載。當(dāng)使用實際負(fù)載時，如節(jié)氣閥時，仿真系統(tǒng)就會讀取反饋傳感器如節(jié)氣閥電位計的信息并供給模型。當(dāng)使用仿真負(fù)載時，如虛擬節(jié)氣閥時，反饋信號由仿真器產(chǎn)生，如模擬輸出通道，并發(fā)送給ECU。實際負(fù)載與仿真負(fù)載之間的切換通過移動外置接線盒上的跳線來完成。

該系統(tǒng)成功地與目標(biāo)ECU進行了連接，圖3顯示了一個典型的用于HIL測試的NI VeriStand界面。

圖3 HIL測試控制面板

用戶可以使用現(xiàn)有的方法和臺架測試模式著重驗證所有ECU的軟件和硬件功能。使用和配置非常方便，用戶可以直接進行系統(tǒng)重新配置而不需要請求客戶支持。NI PXI平臺適合與第三方的定制開發(fā)板集成。

HIL測試系統(tǒng)的硬件和軟件能夠根據(jù)需求不斷更新，這一點非常重要。因為NI PXI硬件是模塊化的，并基于COTS組件，所以它可以很容易地升級，這就保證了系統(tǒng)在將來也會運轉(zhuǎn)并保證技術(shù)領(lǐng)先。NI VeriStand具有開放的架構(gòu)，易與LabVIEW和其它開發(fā)軟件集成，因此提供了必要的靈活性以應(yīng)對隨著測試要求改變可能出現(xiàn)的任何挑戰(zhàn)。