概覽
HIL仿真是一種功能強大的測試方法，可以用于更加有效的測試嵌入式控制系統。當測試嵌入式控制系統時(shí)，從安全性，可行性和合理的成本上考慮，使用全系統進(jìn)行所有必要的測試是不現實(shí)的。您可以使用HIL仿真來(lái)模擬部分系統以面對這些挑戰，在將整個(gè)系統進(jìn)行實(shí)際測試之前使您能夠在虛擬環(huán)境下測試嵌入式控制器件。有了這個(gè)功能，即使您要測試的系統變得更加復雜，您也可以以一種具有成本效益的方式維持可靠性和市場(chǎng)投放。要更多地了解HIL測試如何改善控制系統驗證，請觀(guān)看什么是HIL測試網(wǎng)上視頻. 本教程討論了各種HIL測試系統架構和如何去實(shí)現它們。
一個(gè)HIL測試系統的組成
一個(gè)HIL測試系統由三個(gè)主要部分組成：一個(gè)實(shí)時(shí)處理器，I/O接口和一個(gè)操作界面。實(shí)時(shí)處理器是HIL測試系統的核心。它提供大多數HIL測試系統的確定執行，例如硬件I/O通信，數據資料記錄，激勵生成和模型執行。要精確地仿真測試系統中物理上并不存在的部分，一個(gè)實(shí)時(shí)系統是非常必要的。I/O接口是與被測部件交互的模擬，數字和總線(xiàn)信號。您可以用它們來(lái)產(chǎn)生激勵信號，獲取用于記錄和分析的數據，并提供被測的電子控制單元 (ECU)與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執行器交互。操作界面與實(shí)時(shí)處理器相通，提供測試命令和可視化。在大多數情況下，這個(gè)部件也提供配置管理，測試自動(dòng)化，分析和報告任務(wù)。
圖1. 一個(gè)HIL測試系統由三個(gè)主要部分組成：一個(gè)操作界面，一個(gè)實(shí)時(shí)處理器和I/O接口。
硬件故障插入
許多HIL測試系統使用硬件故障插入在ECU和其余要測試的系統之間產(chǎn)生信號故障，來(lái)測試，描述和驗證在這些情況下的器件性能。要做到這一點(diǎn)，您可以在I/O接口和ECU之間插入故障插入單元(FIUs)，從而允許HIL測試系統在正常運行和諸如對地短路或開(kāi)路之類(lèi)的故障狀態(tài)之間切換接口信號。
圖2. 您可以使用硬件故障插入來(lái)測試信號故障期間ECU的性能
測試多ECU系統
一些嵌入式控制系統，例如汽車(chē)，飛機或者風(fēng)力發(fā)電站，使用一起聯(lián)網(wǎng)工作的多ECU協(xié)同運行。盡管每一個(gè)ECU最初被獨立測試過(guò)，然而系統一體化HIL測試系統，如整車(chē)模擬器或鐵鳥(niǎo)模擬器，還是經(jīng)常被采用以提供更完整的虛擬測試。
圖3. 汽車(chē)，飛機和風(fēng)力發(fā)電站使用多ECU
當測試一個(gè)多ECU控制系統時(shí)（甚至一些單ECU控制系統），經(jīng)常出現兩個(gè)需求：附加處理能力和簡(jiǎn)化連線(xiàn)。
附加處理能力-分布式處理
即使采用最新的多核處理能力，一些系統仍要求更多的，超過(guò)單底板的處理能力。為應對這種挑戰，您可以使用分布式處理技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足這些系統的執行要求。在高通道數的系統中，其需求超出了簡(jiǎn)單的增加處理能力，額外的I/O也是必不可少的。相比之下，采用大規模，耗費處理器設計的系統經(jīng)常使用附加的底板，僅僅是為了提供額外的處理能力，從而允許那些處理器能以很高的效率應用于單個(gè)任務(wù)。根據仿真任務(wù)的分布情況，可能需要在底板之間共享觸發(fā)和定時(shí)信號，并提供確定的數據鏡像來(lái)提高協(xié)同運作的能力。
圖4.當為得到附加處理能力采用多重底板時(shí)，在它們之間提供時(shí)間和數據同步接口是很有必要的。
簡(jiǎn)化連線(xiàn)-分布式I/O
實(shí)現和維護高通道數系統的連線(xiàn)會(huì )面對昂貴和費時(shí)的挑戰。這些系統需要在ECU和HIL測試系統之間連接成百上千個(gè)信號，經(jīng)常為補償空間要求跨越很多米。
幸運的是，確定分布I/O技術(shù)能幫助您理順這些復雜的連線(xiàn)并提供與ECU的模塊化連接，同時(shí)允許高效系統配置的修改。無(wú)需將所有的連接排布在單個(gè)機架里的一個(gè)或多個(gè)具有I/O接口的實(shí)時(shí)處理底板上，您可以使用確定分布I/O來(lái)提供模塊化的I/O接口，這些接口位于靠近各個(gè)ECU的位置，從而不會(huì )犧牲精確仿真系統虛擬部分所必須的高速確定性需求。
這種方法極大的減少了HIL測試系統連線(xiàn)的花費和復雜程度，它使ECU和I/O接口之間的局部連接（跨度小于1米）成為可能，同時(shí)，使用一個(gè)單獨的總線(xiàn)電纜來(lái)擴展到實(shí)時(shí)處理底板的距離。此外，由于這種方法的模塊化特性，HIL測試系統能夠毫不費力地逐步擴展，從除一個(gè)以外其它都是仿真ECU的系統到完全沒(méi)有仿真ECU的完整HIL系統。
圖5. 由于ECU和I/O接口采用局部連接，確定分布I/O接口極大的降低了HIL測試系統的連線(xiàn)花費和復雜性
實(shí)現HIL測試系統
一旦您為您的HIL測試系統選擇了適當的構架，創(chuàng )建一個(gè)HIL測試系統的第一步是選擇最能滿(mǎn)足您新要求的實(shí)時(shí)處理元件。NI公司為執行HIL測試系統提供了廣泛的實(shí)時(shí)處理選擇。因為它們都基于開(kāi)放的工業(yè)標準，所以它們能確保您總能將最新的PC技術(shù)進(jìn)展用在您的HIL測試系統中，從而始終滿(mǎn)足未來(lái)測試系統的要求。.
PXI是一款基于PC的測試，測量和控制的開(kāi)放平臺。它提供廣泛的實(shí)時(shí)處理器選擇，包括數個(gè)高性能的雙核和四核處理器。有超過(guò)70個(gè)供應商提供1200多種PXI產(chǎn)品，在世界范圍內有數千公司選擇了PXI平臺。
PXI平臺能在很多同步技術(shù)下工作，包括通過(guò)IRIG-B, IEEE 1588, SCRAMNet以及反射內存來(lái)在多機箱HIL測試系統中用于共享定時(shí)，觸發(fā)和數據。
NI公司也提供了數個(gè)用于小成本，小體積的HIL測試系統供選擇。NICompactRIO是一種低成本的可重配置的控制和采集系統。系統采用由可重配置I/O(RIO)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)組成一個(gè)開(kāi)放的小型嵌入式架構。
這種技術(shù)將實(shí)時(shí)處理器和用戶(hù)可編程FPGA結合起來(lái)。您可以使用FPGA創(chuàng )建自定義的I/O特性并且可以把模型執行和信號處理運算從實(shí)時(shí)處理器下放到FPGA上來(lái)提高HIL測試系統的性能。
總結
在決定和選擇能滿(mǎn)足您的HIL測試系統需求的，適當的實(shí)時(shí)處理部件之后，您需要為您的ECU選擇所需的I/O接口。請閱讀選擇硬件在環(huán)(HIL)測試系統 I/O接口以更多的了解可用于您的HIL測試系統的I/O接口。
