The Challenge：

構(gòu)建控制器“ target=”_blank“ style=”cursor:pointer;color：#D05C38;text-decoration:underline;“》發(fā)動機控制器（EMS）硬件在回路（HIL）測試系統(tǒng)，需要在仿真整車運行環(huán)境的前提下，監(jiān)測EMS在各種工況下的工作狀態(tài)，并且能夠通過測試工具實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化測試。因此，EMS HIL測試系統(tǒng)最為關(guān)鍵的內(nèi)容包括：準確模擬整車和發(fā)動機的各種運行工況，模擬EMS所需的各種傳感器信號，采集EMS的控制信號，模擬整車網(wǎng)絡(luò)中的其它控制節(jié)點，并且編寫可自動運行的測試用例程序。

The Solution：

EMS HIL測試系統(tǒng)搭建了一個完整的“虛擬車輛”測試環(huán)境，能夠在方案設(shè)計階段對EMS產(chǎn)品技術(shù)方案進行驗證，并且利用NI TestStand軟件實現(xiàn)EMS的自動化測試。本系統(tǒng)有如下優(yōu)點：測試環(huán)境配置靈活、測試成本較低、人力投入較少、測試周期較短等。

一、HIL測試系統(tǒng)方案概述

圖1.1 汽車故障分布圖

1、HIL測試系統(tǒng)方案優(yōu)勢

隨著科技日益創(chuàng)新，汽車技術(shù)的革新主要來自汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車電子電氣系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)越來越多的應(yīng)用到實際的量產(chǎn)車型中。同時，從市場反饋來看，汽車故障較多發(fā)生在電子電氣系統(tǒng)相關(guān)器件（如圖1.1所示），而解決這些故障的根本手段除了在設(shè)計階段制定科學(xué)合理的電子電氣系統(tǒng)設(shè)計方案外，必須對系統(tǒng)方案進行驗證測試，因此對系統(tǒng)方案進行硬件在回路（HIL）測試成為系統(tǒng)方案驗證階段的必要工作。

HIL 測試系統(tǒng)方案的優(yōu)勢特點：

可實現(xiàn)自動化測試、并生成測試報告，重復(fù)性強；

集成動態(tài)模型，可進行閉環(huán)實時控制；

可測量所有電氣信號，包括總線信號：CAN和LIN總線；

可分階段進行系統(tǒng)測試，對未開發(fā)完畢的ECU進行總線仿真；

減少測試時間，降低測試成本：

可在多個平臺中進行切換

多個ECU不同組合的測試

同一個ECU不同型號的測試

可通過自動化測試，減少測試時間，降低人員投入

具備豐富的測試功能：

可測試單個控制器的控制功能

可對整車網(wǎng)絡(luò)進行測試

可模擬車輛的復(fù)雜工況

可模擬各種類型的電氣故障

測試功能易于擴展

可方便連接測試工具：如標定和診斷工具等

圖1.2 EMS HIL測試系統(tǒng)工作原理圖

2、EMS HIL測試系統(tǒng)原理

如下圖1.2基于四缸高壓共軌柴油機EMS HIL測試系統(tǒng)工作原理圖所示，試驗管理軟件運行在PC機環(huán)境下，車輛仿真模型運行在HIL系統(tǒng)硬件實時控制器上，通過I/O模型直接控制I/O接口，I/O接口與信號調(diào)理、故障仿真板卡在硬件平臺上集成，最終實現(xiàn)與EMS相連。I/O接口與信號調(diào)理硬件配合，能夠仿真各種傳感器和執(zhí)行器，監(jiān)測執(zhí)行器工作狀態(tài)并回傳給車輛模型，同時也能夠模擬各種硬件故障。從而，HIL測試系統(tǒng)與被測EMS組成一個虛擬的整車試驗環(huán)境，通過自動測試工具控制整套系統(tǒng)實現(xiàn)各種工況的測試，生成測試報告。

EMS開發(fā)者可基于此平臺分析、評估、優(yōu)化EMS控制策略，并對優(yōu)化后的EMS進行重新測試。

圖2.1 EMS HIL測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、EMS HIL測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

如下圖2.1 EMS HIL測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，EMS HIL測試系統(tǒng)是由車輛模型、HIL硬件、試驗管理軟件和EMS控制器四部分組成，以此搭建了一個完整的“虛擬車輛”測試環(huán)境。在此測試環(huán)境下，對EMS設(shè)計方案在其設(shè)計階段進行驗證，并且利用TestStand軟件實現(xiàn)自動化測試。

搭建本測試系統(tǒng)需要完成以下四部分工作：硬件平臺設(shè)計、模型設(shè)計、系統(tǒng)閉環(huán)測試和系統(tǒng)自動測試。下文將針對各部分工作進行詳細介紹：

1、硬件平臺設(shè)計

EMS HIL測試系統(tǒng)硬件仿真平臺主要功能：提供車輛模型的實時運行環(huán)境，模擬EMS所需的各種傳感器信號，采集并監(jiān)測控制器和執(zhí)行器信號，模擬CAN網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點，對EMS和NI設(shè)備信號提供驅(qū)動、放大、濾波、保護、特殊信號的處理等功能。

如圖2.2 HIL測試系統(tǒng)硬件平臺示意圖所示，硬件組成主要包括：PXI機箱和板卡、信號調(diào)理模塊、故障注入板卡、內(nèi)置的斷線測試盒、真實負載箱、電源切換板和電流采集模塊、車載電源模擬器、電源管理模塊和機柜等。

圖2.2 HIL測試系統(tǒng)硬件平臺示意圖

1.1、NI PXI機箱和板卡

PXI機箱和板卡主要包括：PXI機箱、PXI嵌入式實時控制器、R系列FPGA板卡、FlexRIO系列FPGA板卡、DAQ板卡和CAN卡。

PXI機箱用于放置PXI嵌入式實時控制器和PXI板卡，其中PXI嵌入式實時控制器用于運行車輛放置模型和控制PXI板卡，而PXI板卡主要功能包括：數(shù)字I/O、模擬I/O、PWM I/O、輸出電阻控制協(xié)議、模擬曲軸、凸輪軸等特殊傳感器、采集噴油參數(shù)、收發(fā)CAN報文等。

PXI機箱、嵌入式實時控制器和板卡組成一個實時硬件系統(tǒng)，通過PXI板卡的I/O接口接收經(jīng)過調(diào)理的EMS信號，并將信號傳輸給車輛模型，在車輛模型運算后再由PXI板卡的I/O輸出各種傳感器信號，信號經(jīng)過調(diào)理和故障仿真后傳輸給EMS，從而形成一個閉環(huán)的實時系統(tǒng)。

1.2、信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊主要功能：

通過適配板和信號調(diào)理載板，實現(xiàn)對PXI板卡硬件資源的分配，把資源按照信號類型進行分類；

通過信號調(diào)理載板上的跳線選擇、配置地線，對地線進行集中管理，方便接線抑制干擾；

通過信號調(diào)理載板，配置需要調(diào)理的通道，在信號調(diào)理模塊上對信號進行調(diào)理，實現(xiàn)信號驅(qū)動、放大、濾波、保護等功能；

特殊信號處理，如，電流型輪速信號輸出調(diào)理、電阻模擬等；

1.3、故障注入板

根據(jù)EMS的實際需求，對故障注入模塊中的通道數(shù)量進行分配，每個通道可以模擬對電源短路、對地短路、開路故障狀態(tài)、任意兩管腳間短路等故障。

板卡由恒潤科技開發(fā)的軟件控制，該軟件操作簡單，支持自動化測試，通過RS232發(fā)送指令到板卡上的單片機（MCU），MCU根據(jù)指令控制繼電器動作，執(zhí)行相應(yīng)的故障模式。

1.4、內(nèi)置斷線測試盒

斷線測試盒主要功能：測量EMS和HIL設(shè)備之間的所有信號、手動制造EMS故障等。

1.5、真實負載箱

真實負載箱采用抽拉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置連接EMS的EDAC端子臺和噴油器等客戶所指定的真實負載。

1.6、電源切換板和電流采集模塊

電源切換板：仿真EMS的上電過程。

電流采集板：將電流信號（例如高壓共軌發(fā)動機噴油器的驅(qū)動信號）轉(zhuǎn)換成電壓信號便于NI板卡采集。

1.7、車載電源模擬器

車載電源模擬器與電源切換板結(jié)合使用，給EMS供電，并且可以根據(jù)EMS功率消耗選取相應(yīng)的程控電源。此外，通過HIL 測試系統(tǒng)可以對其中程控電源的輸出電壓和輸出電流的限值進行控制和監(jiān)測。

1.8、電源管理模塊

電源管理模塊：主要實現(xiàn)對HIL硬件平臺的電源進行控制、分配、保護等。

1.9、機柜

機柜：分層存放各類硬件模塊。

2、模型設(shè)計

為了滿足對EMS控制器的HIL測試需求，需要根據(jù)客戶提供的車輛參數(shù)搭建車輛模型，并進行參數(shù)化，增加I/O模型、CAN報文集成等工作。因此，本方案模型開發(fā)的工作包括：搭建模型并對模型進行參數(shù)化、I/O模型設(shè)計、CAN報文的I/O模型設(shè)計。

2.1、車輛模型設(shè)計

本方案使用四缸高壓共軌柴油機模型，包含以下子系統(tǒng)：

氣路模塊：中冷器、氣路模型、增壓器

油路模塊：油軌、高壓泵、壓力控制閥、噴油器、油箱

冷卻模塊：催化器

排氣系統(tǒng)

氣缸：扭矩輸出、摩擦扭矩

環(huán)境模塊：駕駛員、測功機模型

軟件ECU：發(fā)動機ECU

該模型使用Matlab/Simulink進行開發(fā)，包含了詳細的氣路、油路和氣缸等子系統(tǒng)模型，滿足與發(fā)動機控制器的I/O接口要求。

基于NI FPGA的程序開發(fā)流程

2.2、I/O模型設(shè)計

模型I/O的主要功能：數(shù)字I/O、模擬I/O、PWM I/O、電阻控制協(xié)議、模擬曲軸、凸輪軸等特殊傳感器、采集噴油參數(shù)等。

在EMS HIL測試系統(tǒng)中，需要對I/O模型（除模擬I/O外）進行重新開發(fā)，在開發(fā)過程中，需要先在NI FPGA上進行功能開發(fā)，在開環(huán)驗證功能滿足客戶的需求后，將I/O模型添加到Matlab/Simulink模型中，最后通過NI VeriStand導(dǎo)入模型，并將FPGA與I/O模型關(guān)聯(lián)。

I/O模型設(shè)計最為核心的內(nèi)容是，基于NI FPGA進行功能開發(fā)。分為兩部分內(nèi)容：針對NI FlexRIO板卡的適配板卡的硬件開發(fā)，以及FPGA程序的開發(fā)。其中，硬件開發(fā)主要是針對NI FlexRIO板卡的IO接口擴展高速的A/D、D/A和數(shù)字I/O。FPGA程序主要實現(xiàn)的是特殊傳感器模擬、噴油參數(shù)采集和其他I/O模型的功能。

如圖2.3所示是基于NI FPGA的程序開發(fā)流程。由圖可知，I/O模型的開發(fā)流程為：首先，在NI VeriStand FPGA Interface模板中編程，程序包含F(xiàn)PGA函數(shù)和vhdl程序代碼等；其次，通過FPGA編譯器編譯此程序，生成二進制文件；再次，在文本編輯器中，編輯針對二進制文件的配置文件；再在NI VeriStand中添加RIO設(shè)備，調(diào)用二進制文件的配置文件；最后，通過運行VeriStand工程將程序下載到FPGA中。

采用在NI VeriStand FPGA Interface中開發(fā)FPGA程序的開發(fā)方式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)程序的離線仿真，而且能夠達到FPGA與車輛模型傳遞數(shù)據(jù)的目的。

上述模型開發(fā)模式不僅能夠保證系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，借助開放的 NI VeriStand 架構(gòu)也可以大幅降低時間成本和人力成本。

2.3、CAN報文I/O模型設(shè)計

基于EMS的CAN通訊協(xié)議（CAN的數(shù)據(jù)庫dbc文件），對CAN通道進行相應(yīng)的配置，正確發(fā)送EMS所需的CAN信號，監(jiān)測EMS發(fā)出的CAN信號，并將CAN的發(fā)送和接收的信號引入模型。

3、系統(tǒng)閉環(huán)測試

在完成上述設(shè)計工作后，即可對HIL測試系統(tǒng)進行閉環(huán)調(diào)試，系統(tǒng)閉環(huán)測試的工作內(nèi)容包括：VeriStand 工程搭建和系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試。

VeriStand 作為試驗管理軟件，是HIL系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試必不可少的工具。在搭建“虛擬車輛”測試環(huán)境的過程中，主要功能是：集成車輛模型、加載CAN通道、加載DAQ設(shè)備、加載FPGA設(shè)備、將I/O模型的接口與硬件通道關(guān)聯(lián)、下載集成好的模型、監(jiān)測I/O接口和CAN信息、監(jiān)測EMS信號、實現(xiàn)模型的在線參數(shù)修改等。

Veristand靈活、開放且高兼容的架構(gòu)，使得我們能以更高效的方式搭建復(fù)雜的系統(tǒng)測試環(huán)境，尤其適合對于實時性強、且自定義設(shè)計要求比較高的應(yīng)用情況。

EMS功能測試界面

恒潤科技自動化測試用例庫

3.1、VeriStand工程搭建

VeriStand工程搭建內(nèi)容：系統(tǒng)定義文件的配置、界面的搭建。其中，系統(tǒng)定義文件的配置主要包括：模型集成、DAQ集成、RIO集成、CAN集成、I/O模型與硬件和CAN通道關(guān)聯(lián)。

為了更好的滿足汽車HIL測試的實際需求，恒潤科技對VeriStand界面中的控件進行了重新開發(fā)，增加汽車儀表、檔位控制、點火鑰匙等控件，并優(yōu)化重組了其它控件。界面的搭建主要包含：EMS功能測試界面（如圖2.4所示）、CAN和I/O監(jiān)測界面。

3.2、系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試

在VeriStand工程搭建好之后，將PC機通過網(wǎng)線跟PXI嵌入式實時控制器連接，運行VeriStand工程即可將車輛仿真模型下載到PXI實時控制器中。此時，HIL硬件平臺與EMS組成一個“虛擬車輛”的運行環(huán)境，通過VeriStand界面進行“虛擬車輛”的控制、車輛仿真模型的校準等工作，直到達到EMS動態(tài)控制模型的扭矩、轉(zhuǎn)速、軌壓等參數(shù)與臺架上的實驗數(shù)據(jù)近似（近似的程度根據(jù)客戶需求而定）。

4、HIL測試系統(tǒng)自動化測試

自動化測試優(yōu)點：更方便的實施重復(fù)性測試和回歸測試；可以執(zhí)行一些手工測試困難或不可能進行的測試；能夠保證測試結(jié)果的一致性，并可反復(fù)多次測試；能夠在一定程度上避免失誤或誤操作等。

在完成模型的閉環(huán)調(diào)試后，使用NI TestStand搭建自動測試用例。由于測試序列的自定義要求很高，一方面可以導(dǎo)入已有的測試用例，提高效率；同時又需根據(jù)不同工況和具體需求，加入各種新的自定義測試。為此，恒潤科技借助TestStand的基礎(chǔ)上專門開發(fā)了針對汽車行業(yè)HIL系統(tǒng)測試的自動化測試用例庫。如圖2.5恒潤科技自動化測試用例庫所示，TestBaseLib為自動測試基礎(chǔ)庫，EFILib為故障注入的自動測試包（該測試包只有系統(tǒng)中引入故障注入功能時才會使用）。

最后，在執(zhí)行自定義的測試序列之后，NI TestStand會自動生成完整的測試報告。

三、方案總結(jié)

本系統(tǒng)是以NI的軟件和硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合恒潤科技開發(fā)的信號調(diào)理模塊、故障注入模塊和車輛仿真模型，搭建的一套針對四缸高壓共軌柴油機EMS的HIL測試系統(tǒng)，它能夠模擬EMS所需的各種傳感器信號，采集EMS的控制信號，模擬CAN網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點。具備以下技術(shù)優(yōu)勢：

支持自動化測試、測試報告生成，測試用例可重復(fù)性強；

集成了動態(tài)模型，可進行閉環(huán)實時控制；

可測量EMS所有的電氣信號；

可分階段進行系統(tǒng)測試，對未開發(fā)完畢的ECU進行總線仿真；

能在不同ECU變型結(jié)構(gòu)之間快速切換；

減少測試時間、降低測試成本；

具有豐富的測試功能。
責任編輯:pj