基于NIVeriStand配置的發動機測試控制系統設計

趙亮　王曉翌

摘 要：文章中的測試系統采用基于NI VeriStand的配置來實現發動機測試控制系統的設計。系統中通過轉矩閉環控制一臺舵機的轉速或位置來實現對發動機油門的控制。測試系統將發動機的各個傳感器的信號采集到實時采集器中，并能夠進行相應的數據分析和管理，同時系統開放性強，具有完全的自定義開發特性。

關鍵詞：NI VeriStand；發動機；數據采集

前言

近年來，隨著國內汽車發動機產量的快速增加和技術的進步，對發動機的測試設備的需求量越來越大，要求求越來越高，使得國產發動機測試設備也得到了較快發展。但與國外先進水平相比，設備的性能、精度和質量水平還較低，成套設備使用的可靠性差，協調各硬件工作的控制軟件的技術水平還需提高。

一般的發動機測試中需要測試的數據通道雖然不多，但對數據的采集與處理要求非常高，尤其在對發動機實現轉速閉環或是轉矩閉環控制的系統中。NI VeriStand是一個基于配置的實時測試軟件，它具有良好的開放行以及自定義特性。文章中的發動機測試系統將采用基于NI VeriStand配置來實現汽車發動機的測試。測試中通過轉矩閉環控制一臺舵機的轉速或位置來實現發動機油門的控制。測試系統不僅實現了發動機轉速、轉矩的快速控制并且具有實時監控發動機溫度、轉速、扭矩等狀態的功能。本測試系統中利用NI VeriStand調用可重配置機箱cRIO-9076的FPGA I/O的接口特性，cRIO-9076是嵌入式實時處理器，它擁有一套獨立的實時操作系統；其機箱背板具有可供用戶自定義的FPGA模塊，通過自定義FPGA 的接口將數據以DMA FIFO方式傳輸給上位機實現的采集、分析、記錄、顯示等功能。

1 系統硬件結構

如圖1，發動機測試控制系統硬件結構由上位機、cRIO-9076機箱、NI采集板卡、舵機、發動機、傳感器等組成。其中FPGA程序編譯完成后運行于cRIO-9076的機箱背板中。

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括：數據采集、NI VeriStand工程搭建、FPGA程序編寫和NI VeriStand項目部署和實現四個部分。

2.1 數據采集

發動機的實時狀態通過各個傳感監測，它們包括Pt100型溫度傳感器、轉速傳感器、扭矩儀等。其中溫度值與轉速數據時標準的模擬量信號，它們通過NI 的數據采集卡將數據傳輸給上位機；轉矩輸出信號是連續的秒沖頻率信號，將此信號由NI 9401 DI/O數據采集卡采集經NI cRIO-9076機箱背板上的高速的FPGA接口傳送給上位機。在上位機編程過程中將此脈沖經過處理轉換成實際的轉矩信號，并且與給定轉矩作比較，形成轉矩閉環，達到轉矩的控制要求。

2.2 NI VeriStand工程搭建

NI VeriStand是一個基于配置的實時測試軟件，它擁有與LabVIEW類似的前面板，但無需任何編程工作。用戶可以使用 LabVIEW、matlab等其他軟件生成的模型文件導入VeriStand，方便快捷的實現硬件在環等實時測試應用。

（1）下載并安裝NI VeriStand FPGA I/O接口工具，該接口工具提供了實現FPGA自定義I/O的LabVIEW模板程序。

（2）安裝完成后，在windows的共享文件夾下找到FPGA I/O特性的LabVIEW模板。在win7系統中，該模板位于C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2011＼FPGA＼Templates

（3）安裝LabVIEW相關軟件LabVIEW、VeriStand、LabVIEW FPGA、NI-RIO、NI VeriStand FPGA，安裝軟件版本保持相同。

用網線連接cRIO-9076與電腦，連接完成后打開NI MAX，在MAX中展開遠程系統可以看到cRIO-9076當前的連接狀態。

2.3 FPGA程序編寫

當添加實時I/O硬件接口到NI VeriStand中，可以快速配置各種不同的標準模擬，數字和通信總線接口；然而，NI VeriStand還提供LabVIEW基于FPGA可重配置I/O（RIO）設備的用戶定義I/O 硬件。使用該功能來創建用戶定義I/O硬件接口，實現自定義信號處理、仿真、觸發和/或 控制任務，并以25納秒的速率執行，不占用任何實時應用程序的處理帶寬。此外，因為I/O 接口是基于FPGA的，我們可以很容易地重新配置特性或設備的行為，以適應新的需求，或者創建能夠用于多個應用程序的測試系統，而不需要改變I/O接口硬件。

安裝完成后選擇NI VeriStand Custom FPGA Project創建新的項目，按照提示一步步完成創建配置。創建項目的保存路徑，必須保存在C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2014＼FPGA＼Templates路徑下，保存確定后完成創建。系統已創建好項目的配置文件：cRIO-9076 Custom Personality.fpgaconfig，該文件后期仍要修改。同時系統也創建了Custom Personality FPGA.vi，該VI為默認模板VI，要根據系統具體配置修改VI的輸入輸出；修改完成后運行此VI在FPGA終端上生成比特文件：cRIO-9076 Custom Personality.lvbitx。

此程序試運行在FPGA上，其運行速率基于硬件時鐘，基準的時鐘頻率為40M HZ，單周期循環時間為25 ns。

2.4 NI VeriStand項目的部署和實現

3 結束語

本系統是以NI的軟件VeriStand和硬件cRIO-9076機箱為基礎，結合現場的溫度、轉速、轉矩傳感器，搭建的一套基于NI VeriStand配置的發動機控制系統，它通過控制舵機的轉速及位置來控制發動機的轉速，具有控制精度高、響應迅速、穩定可靠等優點。支持自動化測試、測試報告生成，測試用例可重復性強；集成了動態模型，可進行轉矩閉環實時控制；NI硬件平臺的穩定性以及VeriStand軟件系統的開放靈活性提高了測試系統開發的效率，因此，基于NI VeriStand平臺的發動機控制系統不僅能夠縮短控制系統的開發周期，而且具有靈活的自定義特性，為測試系統的開發及維護節省了時間。

參考文獻

[1]NI VeriStand創建基于FPGA的I/O特性技術白皮書[S].

[2]https：//decibel.ni.com/content/docs/DOC-13815[Z].

[3]NI Veristand Help 2014[Z].

[4]NI CompactRIO 開發指南[Z].

摘 要：文章中的測試系統采用基于NI VeriStand的配置來實現發動機測試控制系統的設計。系統中通過轉矩閉環控制一臺舵機的轉速或位置來實現對發動機油門的控制。測試系統將發動機的各個傳感器的信號采集到實時采集器中，并能夠進行相應的數據分析和管理，同時系統開放性強，具有完全的自定義開發特性。

關鍵詞：NI VeriStand；發動機；數據采集

前言

近年來，隨著國內汽車發動機產量的快速增加和技術的進步，對發動機的測試設備的需求量越來越大，要求求越來越高，使得國產發動機測試設備也得到了較快發展。但與國外先進水平相比，設備的性能、精度和質量水平還較低，成套設備使用的可靠性差，協調各硬件工作的控制軟件的技術水平還需提高。

一般的發動機測試中需要測試的數據通道雖然不多，但對數據的采集與處理要求非常高，尤其在對發動機實現轉速閉環或是轉矩閉環控制的系統中。NI VeriStand是一個基于配置的實時測試軟件，它具有良好的開放行以及自定義特性。文章中的發動機測試系統將采用基于NI VeriStand配置來實現汽車發動機的測試。測試中通過轉矩閉環控制一臺舵機的轉速或位置來實現發動機油門的控制。測試系統不僅實現了發動機轉速、轉矩的快速控制并且具有實時監控發動機溫度、轉速、扭矩等狀態的功能。本測試系統中利用NI VeriStand調用可重配置機箱cRIO-9076的FPGA I/O的接口特性，cRIO-9076是嵌入式實時處理器，它擁有一套獨立的實時操作系統；其機箱背板具有可供用戶自定義的FPGA模塊，通過自定義FPGA 的接口將數據以DMA FIFO方式傳輸給上位機實現的采集、分析、記錄、顯示等功能。

1 系統硬件結構

如圖1，發動機測試控制系統硬件結構由上位機、cRIO-9076機箱、NI采集板卡、舵機、發動機、傳感器等組成。其中FPGA程序編譯完成后運行于cRIO-9076的機箱背板中。

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括：數據采集、NI VeriStand工程搭建、FPGA程序編寫和NI VeriStand項目部署和實現四個部分。

2.1 數據采集

發動機的實時狀態通過各個傳感監測，它們包括Pt100型溫度傳感器、轉速傳感器、扭矩儀等。其中溫度值與轉速數據時標準的模擬量信號，它們通過NI 的數據采集卡將數據傳輸給上位機；轉矩輸出信號是連續的秒沖頻率信號，將此信號由NI 9401 DI/O數據采集卡采集經NI cRIO-9076機箱背板上的高速的FPGA接口傳送給上位機。在上位機編程過程中將此脈沖經過處理轉換成實際的轉矩信號，并且與給定轉矩作比較，形成轉矩閉環，達到轉矩的控制要求。

2.2 NI VeriStand工程搭建

NI VeriStand是一個基于配置的實時測試軟件，它擁有與LabVIEW類似的前面板，但無需任何編程工作。用戶可以使用 LabVIEW、matlab等其他軟件生成的模型文件導入VeriStand，方便快捷的實現硬件在環等實時測試應用。

（1）下載并安裝NI VeriStand FPGA I/O接口工具，該接口工具提供了實現FPGA自定義I/O的LabVIEW模板程序。

（2）安裝完成后，在windows的共享文件夾下找到FPGA I/O特性的LabVIEW模板。在win7系統中，該模板位于C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2011＼FPGA＼Templates

（3）安裝LabVIEW相關軟件LabVIEW、VeriStand、LabVIEW FPGA、NI-RIO、NI VeriStand FPGA，安裝軟件版本保持相同。

用網線連接cRIO-9076與電腦，連接完成后打開NI MAX，在MAX中展開遠程系統可以看到cRIO-9076當前的連接狀態。

2.3 FPGA程序編寫

當添加實時I/O硬件接口到NI VeriStand中，可以快速配置各種不同的標準模擬，數字和通信總線接口；然而，NI VeriStand還提供LabVIEW基于FPGA可重配置I/O（RIO）設備的用戶定義I/O 硬件。使用該功能來創建用戶定義I/O硬件接口，實現自定義信號處理、仿真、觸發和/或 控制任務，并以25納秒的速率執行，不占用任何實時應用程序的處理帶寬。此外，因為I/O 接口是基于FPGA的，我們可以很容易地重新配置特性或設備的行為，以適應新的需求，或者創建能夠用于多個應用程序的測試系統，而不需要改變I/O接口硬件。

安裝完成后選擇NI VeriStand Custom FPGA Project創建新的項目，按照提示一步步完成創建配置。創建項目的保存路徑，必須保存在C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2014＼FPGA＼Templates路徑下，保存確定后完成創建。系統已創建好項目的配置文件：cRIO-9076 Custom Personality.fpgaconfig，該文件后期仍要修改。同時系統也創建了Custom Personality FPGA.vi，該VI為默認模板VI，要根據系統具體配置修改VI的輸入輸出；修改完成后運行此VI在FPGA終端上生成比特文件：cRIO-9076 Custom Personality.lvbitx。

此程序試運行在FPGA上，其運行速率基于硬件時鐘，基準的時鐘頻率為40M HZ，單周期循環時間為25 ns。

2.4 NI VeriStand項目的部署和實現

3 結束語

本系統是以NI的軟件VeriStand和硬件cRIO-9076機箱為基礎，結合現場的溫度、轉速、轉矩傳感器，搭建的一套基于NI VeriStand配置的發動機控制系統，它通過控制舵機的轉速及位置來控制發動機的轉速，具有控制精度高、響應迅速、穩定可靠等優點。支持自動化測試、測試報告生成，測試用例可重復性強；集成了動態模型，可進行轉矩閉環實時控制；NI硬件平臺的穩定性以及VeriStand軟件系統的開放靈活性提高了測試系統開發的效率，因此，基于NI VeriStand平臺的發動機控制系統不僅能夠縮短控制系統的開發周期，而且具有靈活的自定義特性，為測試系統的開發及維護節省了時間。

參考文獻

[1]NI VeriStand創建基于FPGA的I/O特性技術白皮書[S].

[2]https：//decibel.ni.com/content/docs/DOC-13815[Z].

[3]NI Veristand Help 2014[Z].

[4]NI CompactRIO 開發指南[Z].

摘 要：文章中的測試系統采用基于NI VeriStand的配置來實現發動機測試控制系統的設計。系統中通過轉矩閉環控制一臺舵機的轉速或位置來實現對發動機油門的控制。測試系統將發動機的各個傳感器的信號采集到實時采集器中，并能夠進行相應的數據分析和管理，同時系統開放性強，具有完全的自定義開發特性。

關鍵詞：NI VeriStand；發動機；數據采集

前言

近年來，隨著國內汽車發動機產量的快速增加和技術的進步，對發動機的測試設備的需求量越來越大，要求求越來越高，使得國產發動機測試設備也得到了較快發展。但與國外先進水平相比，設備的性能、精度和質量水平還較低，成套設備使用的可靠性差，協調各硬件工作的控制軟件的技術水平還需提高。

一般的發動機測試中需要測試的數據通道雖然不多，但對數據的采集與處理要求非常高，尤其在對發動機實現轉速閉環或是轉矩閉環控制的系統中。NI VeriStand是一個基于配置的實時測試軟件，它具有良好的開放行以及自定義特性。文章中的發動機測試系統將采用基于NI VeriStand配置來實現汽車發動機的測試。測試中通過轉矩閉環控制一臺舵機的轉速或位置來實現發動機油門的控制。測試系統不僅實現了發動機轉速、轉矩的快速控制并且具有實時監控發動機溫度、轉速、扭矩等狀態的功能。本測試系統中利用NI VeriStand調用可重配置機箱cRIO-9076的FPGA I/O的接口特性，cRIO-9076是嵌入式實時處理器，它擁有一套獨立的實時操作系統；其機箱背板具有可供用戶自定義的FPGA模塊，通過自定義FPGA 的接口將數據以DMA FIFO方式傳輸給上位機實現的采集、分析、記錄、顯示等功能。

1 系統硬件結構

如圖1，發動機測試控制系統硬件結構由上位機、cRIO-9076機箱、NI采集板卡、舵機、發動機、傳感器等組成。其中FPGA程序編譯完成后運行于cRIO-9076的機箱背板中。

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括：數據采集、NI VeriStand工程搭建、FPGA程序編寫和NI VeriStand項目部署和實現四個部分。

2.1 數據采集

發動機的實時狀態通過各個傳感監測，它們包括Pt100型溫度傳感器、轉速傳感器、扭矩儀等。其中溫度值與轉速數據時標準的模擬量信號，它們通過NI 的數據采集卡將數據傳輸給上位機；轉矩輸出信號是連續的秒沖頻率信號，將此信號由NI 9401 DI/O數據采集卡采集經NI cRIO-9076機箱背板上的高速的FPGA接口傳送給上位機。在上位機編程過程中將此脈沖經過處理轉換成實際的轉矩信號，并且與給定轉矩作比較，形成轉矩閉環，達到轉矩的控制要求。

2.2 NI VeriStand工程搭建

NI VeriStand是一個基于配置的實時測試軟件，它擁有與LabVIEW類似的前面板，但無需任何編程工作。用戶可以使用 LabVIEW、matlab等其他軟件生成的模型文件導入VeriStand，方便快捷的實現硬件在環等實時測試應用。

（1）下載并安裝NI VeriStand FPGA I/O接口工具，該接口工具提供了實現FPGA自定義I/O的LabVIEW模板程序。

（2）安裝完成后，在windows的共享文件夾下找到FPGA I/O特性的LabVIEW模板。在win7系統中，該模板位于C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2011＼FPGA＼Templates

（3）安裝LabVIEW相關軟件LabVIEW、VeriStand、LabVIEW FPGA、NI-RIO、NI VeriStand FPGA，安裝軟件版本保持相同。

用網線連接cRIO-9076與電腦，連接完成后打開NI MAX，在MAX中展開遠程系統可以看到cRIO-9076當前的連接狀態。

2.3 FPGA程序編寫

當添加實時I/O硬件接口到NI VeriStand中，可以快速配置各種不同的標準模擬，數字和通信總線接口；然而，NI VeriStand還提供LabVIEW基于FPGA可重配置I/O（RIO）設備的用戶定義I/O 硬件。使用該功能來創建用戶定義I/O硬件接口，實現自定義信號處理、仿真、觸發和/或 控制任務，并以25納秒的速率執行，不占用任何實時應用程序的處理帶寬。此外，因為I/O 接口是基于FPGA的，我們可以很容易地重新配置特性或設備的行為，以適應新的需求，或者創建能夠用于多個應用程序的測試系統，而不需要改變I/O接口硬件。

安裝完成后選擇NI VeriStand Custom FPGA Project創建新的項目，按照提示一步步完成創建配置。創建項目的保存路徑，必須保存在C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2014＼FPGA＼Templates路徑下，保存確定后完成創建。系統已創建好項目的配置文件：cRIO-9076 Custom Personality.fpgaconfig，該文件后期仍要修改。同時系統也創建了Custom Personality FPGA.vi，該VI為默認模板VI，要根據系統具體配置修改VI的輸入輸出；修改完成后運行此VI在FPGA終端上生成比特文件：cRIO-9076 Custom Personality.lvbitx。

此程序試運行在FPGA上，其運行速率基于硬件時鐘，基準的時鐘頻率為40M HZ，單周期循環時間為25 ns。

2.4 NI VeriStand項目的部署和實現

3 結束語

本系統是以NI的軟件VeriStand和硬件cRIO-9076機箱為基礎，結合現場的溫度、轉速、轉矩傳感器，搭建的一套基于NI VeriStand配置的發動機控制系統，它通過控制舵機的轉速及位置來控制發動機的轉速，具有控制精度高、響應迅速、穩定可靠等優點。支持自動化測試、測試報告生成，測試用例可重復性強；集成了動態模型，可進行轉矩閉環實時控制；NI硬件平臺的穩定性以及VeriStand軟件系統的開放靈活性提高了測試系統開發的效率，因此，基于NI VeriStand平臺的發動機控制系統不僅能夠縮短控制系統的開發周期，而且具有靈活的自定義特性，為測試系統的開發及維護節省了時間。

參考文獻

[1]NI VeriStand創建基于FPGA的I/O特性技術白皮書[S].

[2]https：//decibel.ni.com/content/docs/DOC-13815[Z].

[3]NI Veristand Help 2014[Z].

[4]NI CompactRIO 開發指南[Z].