基于IEC61131的工程機械控制器硬件在環測試平臺

李璘+孫金泉

廣西柳工機械股份有限公司

【摘 要】本文分析了國內工程機械控制器測試現狀，介紹了硬件在環原理，以此引出IEC61131-3標準，提出了基于IEC61131的工程機械硬件在環測試平臺，以及該平臺能解決的問題。然后詳細介紹了平臺的構成，最后為工程機械控制器硬件在環測試平臺的搭建指明了發展方向。

【關鍵詞】IEC61131；硬件在環；測試

1.引言

隨著國內工程機械廠家電控技術的進步與發展，越來越多的廠家開始自己開發整機控制器和核心零部件的控制器，這都需要經過大量的測試。保證其控制功能的正確性和可靠性是產品開發過程中的一個難點。

國外廠商和機構已對控制器功能測試技術開展了廣泛研究，形成了如TestML、CTE等測試用例生成工具，通過應用dSPACEMATLAB/Simulink Rhapsody等控制系統開發工具進行仿真測試也取得了一些成果，形成了各自的解決方案，但是國內廠商在使用這些方案時，通常需要支付昂貴的軟硬件費用。目前測試手段已經擺脫了在原型車中進行的方式，半自動化自動化的測試流程成為行業發展的趨勢。

對廠家而言，要根據自己的機型進行控制器功能定義，運用國外測試方案存在周期長費用高擴展難等不利因素，有時直接套用國外技術。因此，掌握一種控制器功能測試技術，對提高廠家的自主研發能力具有重要意義。

硬件在環仿真（HIL）是自動化測試系統常用的技術手段之一，利用計算機運行仿真模型取代控制器的控制流程，再將控制器的輸出回路反饋給計算機形成一個閉環的測試系統，該方法使測試具有可重復性。外部條件可控制、可進行臨界測試和極限測試等優點。

使用HIL需要一個仿真控制器，用于產生測試用例需要的信號，同時接收待測ECU的信號。目前大部分硬件在環編寫測試的方式有多種，例如代碼式（腳本語言）、框圖式或表格式。但是測試用例編寫的工作量非常大而且非常復雜，甚至超過了待測控制器本身的軟件編寫工作，單靠某種測試用例編寫方式已經無法滿足目前需求。因此需要簡易與靈活的方式相結合的方式進行測試用例的編寫。

IEC 61131-3是目前唯一的關于工業控制編程語言的國際標準，利用它的語言進行HIL控制器開發的測試用例的編寫，又可在線觀察測試用例變量。對自行進行控制器設計和測試的廠家，本身就使用IEC61131的語言來編程，因此使用它進行控制器的測試并非難事。

本文介紹了一種基于IEC61131的工程機械控制器硬件在環測試平臺的實現過程。

2.測試平臺構成

硬件在環測試平臺的構成如圖1所示。

待測控制器運行時接收各種開關和傳感器信號，進行運算后輸出控制信號（如控制電磁閥、繼電器或電機的信號）。仿真測試平臺發出待測控制器需要接收的開關和傳感器信號，并接收控制器輸出的控制信號，判斷控制器的反饋是否正確，并將測試結果發送給PC上安裝的試驗管理軟件。試驗管理軟件用于在測試中接收測試結果、觀察中間變量以及生成測試報告。61131編程系統用于測試樣例的編寫和機器模型的輸入，還可以進行測試用例的調試。可編程電源用于為控制器和仿真控制器供電，其輸出電壓是可編程的。可編程負載是仿真控制根據測試用例的配置編程的負載，可以編程為繼電器、電磁閥、電機等負載，也可以用真實負載替換。也可以不使用可編程負載，而是使用負載模型（或機器模型）。

以下對各部分設計進行詳細介紹。

2.1仿真控制器

2.1.1傳感器信號發生電路。

仿真控制器由傳感器信號發生電路、信號采集電路和MCU中運行的測試樣例與負載（機器）模型組成。

傳感器信號發生電路可以模擬開關型、電阻型、電流型、電壓型、脈沖型和正弦信號的輸出。

在整機上開關型信號有兩種：接地/懸空，VCC/懸空，其中VCC為蓄電池電壓（12V或24V）。仿真控制器的MCU運行測試用例程序，測試用例程序通過MCU的I2C總線將指令發送給CPLD，CPLD根據指令控制端口為高電平、低電平或懸空位置。驅動芯片將CPLD輸出的電平轉換成能驅動繼電器的電平，實現開關信號的輸出。

電阻型信號實現：測試用例程序通過SPI控制模擬開關芯片控制所接入的電阻大小，實現電阻型信號的輸出。

電壓型、電流型和正弦波信號的實現：測試用例程序通過SPI控制DAC（數模轉換器）芯片將指令轉換為0～5V電壓，并通過CPLD控制模擬開關接通需要輸出的信號通道。

脈沖型信號實現：MCU通過輸出PWM來控制脈沖信號的占空比和頻率，并控制可編程電源來控制脈沖信號的峰值。

2.1.2信號采集電路。

信號采集電路是采集待測控制器發出的控制信號，例如開關控制信號、電磁閥控制信號。信號采集電路將信號采集后，根據測試樣例，將執行結果與預期結果進行比較，將運行結果發送到試驗管理軟件。

PWM信號可以直接輸入仿真控制器，也可以輸入可編程負載。前者的優點在于可以將PWM信號的占空比通過公式轉換為控電流再輸入控制對象模型，仿真速度較快；后者的優點在于直接將電流輸入仿真控制器，更真實的模擬控制對象的響應。

2.1.3仿真控制器的MCU。

仿真控制器的MCU采用高速信號處理器，如TI的TMS320系列、Freescale的MCP55x系列或Infineon的Tricore系列處理器均能滿足系統設計要求。

MCU的底層硬件和驅動程序提供豐富的資源和接口，用戶可以直接使用這些資源在支持IEC61131的編程系統上進行測試樣例的編寫。編寫的方式非常靈活，復雜的樣例可以使用ST語言編寫，簡單的樣例使用SFC、FB或FBD框圖式語言編寫。

MCU中的機器模型（或負載模型、控制對象模型）是封裝好的功能塊，用戶只要修改參數后直接調用即可。

2.1.4 CPLD/FPGA。

與MCU連接的CPLD是MCU功能的擴展，用于采集和控制低速的IO信號，發送采集結果和接受MCU的控制指令。Altera的MAX II系列、Lattice的MachXO3和Xilinx的XA Spartan系列的CPLD或FPGA均能滿足系統設計要求。用戶使用編程系統可以對CPLD的輸入和輸出進行配置。

2.2可編程電源

可編程電源為待測控制器和仿真控制器提供電源。提供給待測控制器的電源分2種，可編程為12V系統和24V系統，最大可以輸出40V，用于測試待測控制器的電源耐受力。提供給仿真控制的電源分為數字供電和驅動供電。數字供電電壓低功率小；驅動供電功率大，電壓可由9V調節到36V，用于測試待測控制器的端口電壓耐受力。可編程電源的電壓調節由試驗管理軟件配置。

2.3可編程負載

可編程負載可以讓用戶選擇負載的類型：小燈、電磁閥或繼電器等。用戶也可以接入真實負載進行測試。

2.4試驗管理軟件

試驗管理軟件可通過設備的DLL文件與設備通信，進行設備配置，并可讀寫試驗配置，并導出試驗結果生成試驗報告。

3.展望

基于IEC61131的HIL測試平臺仍處于發展階段，各部件功能趨于向整合方面發展，這一方面可以降低測試的總成本，另一方面對部件的控制融合提出了更高要求，也為測試系統帶來新的機遇與挑戰。

參考文獻：

[1] 劉德利.基于HIL的汽車電氣功能測試系統設計[J].汽車電器，2017.1，28-30.

[2] 董艷艷.Hil在汽車整車測試及開發系統中的應用[J].科技風，2016年第16期，33-35.

作者簡介：

李璘（1981—），女，廣西柳工機械股份有限公司研究總院高級主管工程師，研究方向為：工程機械電控系統開發。