实时测试与硬件在环仿真技术研析

实时测试与硬件在环仿真(HIL)技术研析黄睿应用工程师NationalInstruments陆欣HIL技术团队负责人恒润科技有限公司议程•实时测试的概念•硬件在环(HIL)仿真测试的概念及主要应用•如何基于PXI平台构建HIL测试系统•构建HIL测试系统的实践案例(恒润科技)实时测试(Real-TimeTesting)的概念测试系统数据记录/分析激励UUT测试系统的一部分基于实时环境建立,从而增加测试的性能和可靠性.举例:硬件在环(HIL)仿真测试HIL测试系统数据记录/分析激励待测控制器被控对象模型受控对象模型硬件在环(HIL)仿真在将控制器投入到实际系统前,先通过一个能够模拟受控对象行为的仿真系统来验证控制器.受控对象控制器(UUT)闭环系统期望响应控制信号实际响应数学模型+I/O硬件在环仿真的主要应用领域汽车军工与航空航天能源、电力•汽车发动机模型•燃料电池系统模型•整车动力学模型•……•航空发动机模型•无人飞行器模型•水下探测器模型•……•发电机及电力电子器件•风机模型(包括机械部分)•涡轮机模型•……为什么要进行硬件在环仿真?•受控对象造价高，现场测试风险太大–混合动力系统–风力发电系统•需要测试极端工况–短路等系统故障•可重复性测试/自动化测试–通过仿真能够反复重现相同的实时环境或激励/扰动•希望缩短开发周期，降低开发风险和成本–受控对象的生产设计与控制器开发同步进行•提高生产线测试的效率应用举例:发动机ECU测试发动机仿真系统发动机控制器(ECU)•发动机凸轴和曲轮轴信号•油门踏板开度•喷油信号•点火信号应用举例:整车模型仿真整车模型汽车总线发动机ECUBCM变速箱控制器组合仪表ABS安全气囊控制器应用举例:风机控制器测试风机仿真模型风机控制系统(待测对象)•晶闸管控制信号PWM•偏航电机控制信号•变桨系统控制信号•风速•风向•电流•相电压•发电机转速•偏航角度•桨叶角度应用举例:自动导航装置测试飞机仿真模型自动导航控制器(待测对象)•航速•航向•飞行高度•其他状态参数•外部气流参数•控制信号受控对象的仿真系统被控对象模型仿真+测试系统待测对象:控制器期望输出控制信号实际输出实际输出被控对象模型数据记录/分析测试序列环境扰动用户界面激励HIL测试系统的基本硬件架构上位机实时处理器I/OEthernet待测控制器模拟/数字/总线接口•显示界面•数据记录/处理•测试自动化•受控对象模型的确定性执行•执行测试激励序列•仿真传感器信号给ECU(模型的输出)•捕获ECU控制信号(模型的输入)基于PXI构建HIL测试系统上位机PC•通过以太网线连接PXI实时控制器PXI实时控制器•多核CPU实现模型的并行执行待测ECU基于PXI的多种I/O模块•模拟/数字/总线接口…带有FPGA的自定义I/O上位机实时处理器I/OEthernet待测控制器模拟/数字/总线接口传感器仿真(LVDT)爆震信号生成曲轴仿真自定义协议接口故障注入上位机实时处理器I/OEthernet控制器(UUT)FIU故障注入模块(FIU)主要用于仿真控制器与模型之间的硬件信号错误带有FPGA的自定义I/O&故障注入PXIR系列可重配置I/O模块或前端可自定义的FlexRIOPXI故障注入模块最大电流达40AHIL测试系统软件•模型的确定性执行•产生实时激励•数据记录•用户界面•Single-PointI/O•FPGA编程•警报•用户权限管理•多机箱同步LabVIEW实时模块LabVIEWFPGA模块仿真接口工具包案例:混合动力汽车发动机ECU测试•BWM氢能7系混合动力汽车控制器测试–12缸引擎仿真–硬件:NIPXI•4CANInterface•288DIO,24AI,56AO–软件:NILabVIEW案例:混合动力汽车发动机ECU测试•FPGA在测试系统中的作用.–点火和喷油信号捕获–仿真产生特殊信号–自定义协议接口基于专业软件快速开发HIL测试应用基于配置的开发环境硬件I/O配置调用模型或控制算法计算通道报警配置实时激励/数据记录运行时可编辑的用户界面NIVeriStand架构UI对象运行时工具Workspace实时引擎配置SystemExplorer部署实时通信I/O激励数据记录报警执行步骤计算通道NIVeriStand实时引擎123支持多机箱HIL仿真利用NIVeriStand的开放性通过NILabVIEW自定义NIVeriStand的用户界面通过LabVIEWFPGA模块自定义板载FPGA功能结合NITestStand进行测试管理结合NIDIAdem进行数据管理可调用多种环境下建立的模型支持使用Python编辑的测试序列液压控制系统的HIL测试“Theout-of-the-boxcapabilitiesofNIVeriStandmadeitpracticalforustodevelopanHILtestsystem,reducingourtotaltestingcostbymorethan$500,000.”–GregSussman,CLA,ProcessAutomation小结:NIHIL平台的优势•易于集成FPGA实现自定义I/O或板载处理•领先的多核技术•开放的软件和硬件架构•基于通用COTS硬件,有效降低成本•技术服务与支持•30年自动化测试行业经验,易于将HIL与其他测试系统相整合基于NI-PXI的车辆仿真测试方案柴油机电控单元硬件在环(HIL)测试系统开发汽车测试所面临的挑战•复杂的整车网络如何测试–日益增加的ECU数量：20～50–复杂的网络拓补结构：CAN，LIN，MOST……•多个控制器之间的“相互行为”–联合控制功能的实现：通过总线相互调用–传感单元共用：如何响应多个控制器？•日益提高的测试要求–如何有选择的监控总线上传递的信号：≥1000–诊断功能的不断增强：如何模拟各种故障？需求－最终的测试需求？•减少测试时间和测试成本–可方便在多个平台中切换–可通过自动化测试减少工程师的投入•丰富的测试功能–可测试单个控制器控制功能–可对整车网络进行测试–可模拟车辆的复杂工况–可模拟各种类型的电气故障–可方便连接测试工具（标定、诊断……）–……HIL测试的实质内容客观规范标准自动化重复性极端条件故障重现……测试对象柴油机电控单元HIL方案硬件组成实时处理器及PXII/O板卡PXI总线FlexRIOFPGA适配模块•实时处理器NIPXI-8110•A/D输入模块PXI-6224•D/A输出数模PXI-6723•带有FPGA的数字I/O模块PXI-7813R•CAN接口模块PXI-8512/2•基于FPGA技术的NIFlexRIO发动机复杂信号特殊信号模拟PXI总线FlexRIOFPGA适配模块•NIFlexRIOFPGA模块PXI-7952R•自定义的适配模块•根据发动机特性进行开发•主要特性1.可模拟一个曲轴信号和两个凸轮轴信号2.可模拟四个爆震信号或四个轮速信号3.可同时采集8个喷油信号和8个点火信号4.多块板卡的级联，以满足更多缸数发动机信号模拟和采集功能信号调理板卡+故障注入/负载仿真故障注入功能•对电源短路•对地短路•开路•任意两管脚间短路•最大允许电流8A负载仿真•单端负载•双端负载•真实负载•模拟负载电流采集电流测量功能•静电流测量•真实喷油或点火信号采集•电机驱动电流采集•„MCU车载电源1车载电源2ECUECU电源管理及ECU电流测量模块实时组件系统NIPXICANcontrollerPCUbatGND软件开发柴油机汽车模型及功能故障注入软件：Hisim_EFI硬件管理软件与系统开发软件•NIMeasurement&AutomationExplorer(MAX)–配置NI硬件和软件–备份或复制配置数据–创建和编辑通道、任务、接口、换算和虚拟仪器•NILabVIEW–建立车辆仿真虚拟仪表–与实时程序进行动态数据交换–跟踪实时曲线–在线调参–记录实时数据（可记录在文件中）实时数据回放集成服务流程需求分析，明确用户的测试目的技术资料、实验数据收集整理、系统方案设计信号列表制作部分软件模型开发、硬件制作系统集成和调试用户测试需求的理解测试程序开发开环测试闭环测试测试结果提交及改进意见配置硬件资源•控制器管脚定义分配–线束及跳线配置–故障仿真配置–负载仿真配置配置软件及模型•模型集成调试–试验数据预处理–试验数据优化对通用发动机类型和附加部分进行预处理形成模版配置预处理配置和输入数据模型的初始化文件·发动机稳态测试·喷油特性表·整车数据·„利用预处理工具计算模型参数生成初始化文件收集必要的原始数据将数据转化为m文件格式，导入到预处理工具选择配置软件及模型•模型参数化–显示、画图–参数修改及保存•特殊信号处理–喷油点火信号采集–曲轴凸轮轴信号模拟传感器仿真(LVDT)爆震信号生成曲轴仿真自定义协议接口调试与测试系统闭环调试•确认电控单元与测试设备的正常运行（闭环）•确认所有手动测试工况的执行正确•确认数据采集和实时动画显示系统等进入测试阶段•测试……–功能测试–网络测试–故障诊断测试–自动测试–……恒润科技介绍恒润科技配套产品工程咨询代理产品培训服务配套产品：为汽车整车厂提供电子控制器的配套，如AFS、BCM等产品工程咨询：技术实力丰富的咨询公司，在HIL、总线等领域有丰富的项目经验代理产品：先进开发工具的代理厂商，代理20多家公司产品培训服务：多样定制化的专业技术培训业务类型恒润科技介绍国防通信汽车及轨道交通教育服务行业联系我们：电话：[phone](8610)64840808（汽车电子业务）邮箱：[e-mail]地址：北京市朝阳区安翔北里甲11号北京创业大厦B座7-8层