圖1 HIL系統集成

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

　　挑戰：

　　基于商業現成（COTS）的硬件，為發動機和整車的實時仿真開發一個模塊化的硬件在環（HIL）測試系統，以減少嵌入式軟件驗證過程中所需要的實物測試次數。

　　解決方案：

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

　　Alma Automotive是一家總部設在意大利北部的公司，為汽車的校準、控制和測試提供定制的解決方案。Alma Automotive根據客戶的需求，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、傳感器系統和電子控制單元（ECU）。

　　因為HIL系統可以用來實現自動化和標準化測試，所以它們是ECU測試的標準。大多數市場上可用的HIL系統提供的是不能擴展或定制的標準功能，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，并可以完全根據他們的需求定制。

　　HIL系統所仿真的是由ECU控制的設備，所有進入ECU的實際信號必須由HIL測試系統產生的信號代替。因為目標是測試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，以測試整個嵌入式控制系統。對于某些類型的信號，復現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系統可供選擇。大多數系統的主要缺點是缺乏對HIL供應商所提供的基礎函數庫進行定制的工具，很難訪問底層（類似FPGA）函數，因此這些系統無法滿足顧客的需求。

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

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

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

　　用自定義設備實現的一個高帶寬信號發生器，該自定義設備用來產生基于模型的曲軸、凸輪軸、進氣門、缸內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。該自定義設備是用7852R板卡實現的。

　　由Alma Automotive公司設計和生產的一個自定義的I/O信號調理板，將ECU模擬輸出信號轉變為TTL數字信號，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公司設計和生產的一個自定義的執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。

　　車輛仿真模式可用于開環（用戶駕駛車輛）或閉環仿真（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。發動機采用多變量扭矩圖建立模型，該子模型輸出發動機的扭矩、空氣/燃料比和其它參數。這些輸出發送到定制的設備以產生高頻信號，如進氣壓力信號。發動機扭矩用來提供車輛和變速器子模型，動力傳動系統組件。發動機和車輛速度是基于發動機扭矩、離合器位置、插入式齒輪、輪胎運轉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動機在要求的轉速和負載工作條件下運轉。還有一個熱交換子模型來評估發動機的冷卻液溫度；電氣系統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。

　　系統的核心是由Alma Automotive公司設計的NI VeriStand自定義設備插件。該插件是一個發動機I/O子系統模擬器，可以產生雙通道的VRS/霍爾傳感器信號，信號調理后的電壓峰峰值達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，頻率和PWM；8通道的被調理至120V峰峰值范圍內的模擬輸入信號。圖2顯示了該自定義設備的設置界面。傳感器輪的齒數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生器設備

　　由Alma Automotive開發的FIU也是基于FPGA，它使用FPGA來處理400多路需要操作開關的信號。FPGA的確定性允許在系統中設定安全功能，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測。先合后斷的FIU操作通過用戶可配置的負載釋放延遲，來防止故障通道中的不明確狀態。

　　由Alma Automotive開發的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可當作電源使用。開關狀態的反饋信息可以通過320個LED獲得。

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

　　該系統成功地與目標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板集成。

　　HIL測試系統的硬件和軟件能夠根據需求不斷更新，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，這就保證了系統在將來也會運轉并保證技術領先。NI VeriStand具有開放的架構，易與LabVIEW和其它開發軟件集成，因此提供了必要的靈活性以應對隨著測試要求改變可能出現的任何挑戰。