基于NIPXI平臺(tái)的汽車測試HIL設(shè)計(jì)淺析

摘 要：本文基于NI PXI硬件平臺(tái)和NI VeriStand管理軟件提出了汽車動(dòng)力總成控制模塊（PCM）的硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并測試了該系統(tǒng)，可結(jié)合輸入系統(tǒng)駕駛數(shù)據(jù)對(duì)車輛速度等精確仿真，在一定程度上使PCM測試周期縮短，成本明顯降低，在應(yīng)用中具有較高價(jià)值。

關(guān)鍵詞：HIL設(shè)計(jì);NI PXI平臺(tái);汽車電子

1 前言

汽車上百余個(gè)元件都是由PCM模塊控制，該模塊對(duì)汽車運(yùn)行具有直接影響。為使PCM快速開發(fā)及復(fù)雜化的控制功能之間存在的矛盾得到妥善解決，包括功能設(shè)計(jì)、快速控制原型、標(biāo)定、HIL仿真及生成目標(biāo)代碼等環(huán)節(jié)的V模式開發(fā)流程在開發(fā)測試汽車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。目前，HIL仿真測試是最有效的一種PCM測試方法，已被各大汽車廠家逐步采用。本研究設(shè)計(jì)的HIL系統(tǒng)是HIL仿真測試系統(tǒng)主要是仿真測試汽車動(dòng)力總成模塊PCM，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是以VeriStand上位機(jī)管理軟件和NI PXI實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用于開發(fā)汽車動(dòng)力性能項(xiàng)目時(shí)具有比較突出的效果，可在整車測試和開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品中使硬件成本節(jié)約，開發(fā)周期有效縮短，汽車相關(guān)性能明顯改善。

2 HIL系統(tǒng)整體框架

HIL系統(tǒng)主要由核心為實(shí)時(shí)處理器的硬件平臺(tái)、上位機(jī)管理軟件及I/O接口三部分組成。上位機(jī)與實(shí)時(shí)處理器采用以太網(wǎng)和工業(yè)串口連接，可對(duì)車輛模型的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看并采取相應(yīng)控制措施。上位機(jī)與被測PCM利用CAN總線等接口連接，可執(zhí)行標(biāo)定、診斷及程序?qū)懭氲认嚓P(guān)操作。實(shí)時(shí)仿真機(jī)柜主要應(yīng)用于對(duì)PCM信號(hào)及運(yùn)行模型的接收，同時(shí)將相應(yīng)傳感器信號(hào)輸出。接收傳感器信號(hào)后，PCM通過內(nèi)部計(jì)算將噴油、點(diǎn)火等控制信號(hào)輸出。在HIL系統(tǒng)中，一般采用電阻電感負(fù)載對(duì)執(zhí)行器模擬，經(jīng)負(fù)載板卡后，控制信號(hào)被汽車仿真模型采集，整個(gè)系統(tǒng)的控制形成閉環(huán)。

3HIL的軟硬件系統(tǒng)

（1）軟件系統(tǒng)。主要由汽車仿真模型、FPGA自定義驅(qū)動(dòng)模塊及VeriStand測試系統(tǒng)管理軟件組成，汽車模型分為駕駛員、汽車系統(tǒng)及環(huán)境三個(gè)模型，其開發(fā)基于MATLAB/Simulink。本研究中HIL系統(tǒng)的建立基于上位機(jī)管理軟件NI VeriStand，VeriStand可對(duì)數(shù)字、模擬、注入故障的FIU板卡及基于FPGA硬件I/O接口進(jìn)行配置，可導(dǎo)入控制算法和仿真模型。PCM自定義設(shè)備程序利用NI LabVIEW軟件及FPGA模塊設(shè)計(jì)，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)、PCM噴油點(diǎn)火信號(hào)采集等進(jìn)行精確模擬。

（2）硬件系統(tǒng)。主要由I/O板卡、信號(hào)調(diào)理模塊、實(shí)時(shí)處理器、模擬負(fù)載、故障注入模塊及系統(tǒng)電源BOB分線箱組成。

I/O板卡設(shè)計(jì)了采集輸入數(shù)字量電壓、采集電流、輸出電阻值、輸出模擬量電壓、輸出PWM 波、輸出繼電器、六個(gè)功能。溫度類傳感器屬電阻類信號(hào)，通過查表仿真模型將溫度向電阻值轉(zhuǎn)換，處于1歐到1兆歐之間的范圍，因此，可用20位電阻加權(quán)使該范圍輸出的電阻值實(shí)現(xiàn)。模擬量電壓信號(hào)由壓力傳感器、位置傳感器等信號(hào)組成，要求處于0—5V的范圍，模擬信號(hào)輸出板卡選擇NI PXI-6723模擬輸出模塊，該模塊中有32路13位模擬輸出通道，可使信號(hào)仿真、激勵(lì)響應(yīng)、執(zhí)行器激勵(lì)及生成波形等應(yīng)用需求得到滿足。PWM波信號(hào)輸出主要對(duì)霍爾轉(zhuǎn)速、曲軸、凸輪軸及速度等傳感器進(jìn)行模擬，由于曲軸和凸輪軸傳感器對(duì)時(shí)間具有較高的精度要求，對(duì)汽車噴油點(diǎn)火信號(hào)具有直接影響，進(jìn)而對(duì)汽車動(dòng)力性能產(chǎn)生影響，因此，PWM波輸出和采集的I/O板卡可選擇配置數(shù)字I/O模塊具有FPGA模塊的NI PXI-7813R。繼電器輸出是對(duì)開關(guān)量輸出的模擬信號(hào)，對(duì)繼電器與電源或地通過PXI-7813R數(shù)字輸出控制信號(hào)控制通斷。由于這類傳感器主要采用對(duì)內(nèi)部大功率開關(guān)管控制導(dǎo)通截止的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥或其它外部執(zhí)行器通斷的有效控制，因此采用PXI-7813R的FPGA數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)PCM數(shù)字輸出直接測量方式對(duì)相應(yīng)控制信號(hào)信息進(jìn)行檢測。經(jīng)FPGA模塊計(jì)算后，采集的數(shù)字信號(hào)將有關(guān)信息量向汽車仿真模型的實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行中輸入。

HIL系統(tǒng)采用NI PXI-8119嵌入式控制器作為實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)，該控制器是高性能嵌入式控制器，基于Inter Core i7-3610QE處理器將CPU、內(nèi)存、硬盤、視頻、以太網(wǎng)、USB 、串口等集成，不只是系統(tǒng)空間明顯減少，系統(tǒng)成本降低，在數(shù)據(jù)采集及處理器密集型模塊化場合中更適合應(yīng)用。

模擬負(fù)載主要模擬電機(jī)、電磁閥、噴油器等PCM外部執(zhí)行器負(fù)載，結(jié)合執(zhí)行器及仿真模型參數(shù)，將模擬負(fù)載分為電阻+電感、繼電器及電阻三種形式，對(duì)電阻、電感等的選擇結(jié)合執(zhí)行器負(fù)載模型模擬，進(jìn)而使測試要求得到滿足。

為實(shí)現(xiàn)診斷PCM故障及驗(yàn)證其可靠性等方面的測試，應(yīng)將FIU故障注入模塊插入待測PCM與HIL系統(tǒng)之間。故障注入板卡選擇兩塊NI PXI-2510信號(hào)插入開關(guān)模塊，各模塊有饋通通道，可將一個(gè)或多個(gè)故障總線斷開或短路，該架構(gòu)可對(duì)開路或中斷連接，電池電壓、引腳間短路及每個(gè)通道接地等方式的短路進(jìn)行模擬。

4 HIL系統(tǒng)調(diào)試

為在實(shí)驗(yàn)中使汽車性能和運(yùn)行情況得到更好體現(xiàn)，很多被開發(fā)的不同汽車工況在開發(fā)車輛燃油消耗量及新車型技術(shù)評(píng)估中得到廣泛應(yīng)用，以美國FTP為代表的瞬時(shí)工況在美國測試工況中廣泛應(yīng)用于世界各國。將車輛測試中的油門踏板數(shù)據(jù)向HIL系統(tǒng)中輸入，可在HIL系統(tǒng)中對(duì)車輛的速度曲線進(jìn)行仿真。HIL系統(tǒng)對(duì)車輛速度的仿真誤差小于8%，精度較高，實(shí)時(shí)性良好，對(duì)PCM的HIL仿真測試要求可基本達(dá)到，有利于PCM開發(fā)縮短時(shí)間，便于在PCM開發(fā)中妥善解決測試驗(yàn)證各種功能的問題。

5 總結(jié)

綜上所述，本文提出的基于NI PXI平臺(tái)汽車測試HIL設(shè)計(jì)可與駕駛員模型和輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行控制，表明該HIL系統(tǒng)的有效性，使用價(jià)值較高。下步工作將深入了解PCM控制過程，使測試系統(tǒng)的信號(hào)完整性及測試精度得到明顯改善。

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作者簡介：黃晨，男，遼寧沈陽人，本科，研究方向：自動(dòng)化、測試測量。