基于IEC61131的工程機(jī)械控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)

李璘+孫金泉

廣西柳工機(jī)械股份有限公司

【摘 要】本文分析了國(guó)內(nèi)工程機(jī)械控制器測(cè)試現(xiàn)狀，介紹了硬件在環(huán)原理，以此引出IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于IEC61131的工程機(jī)械硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，以及該平臺(tái)能解決的問(wèn)題。然后詳細(xì)介紹了平臺(tái)的構(gòu)成，最后為工程機(jī)械控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的搭建指明了發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】IEC61131；硬件在環(huán)；測(cè)試

1.引言

隨著國(guó)內(nèi)工程機(jī)械廠家電控技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，越來(lái)越多的廠家開始自己開發(fā)整機(jī)控制器和核心零部件的控制器，這都需要經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試。保證其控制功能的正確性和可靠性是產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。

國(guó)外廠商和機(jī)構(gòu)已對(duì)控制器功能測(cè)試技術(shù)開展了廣泛研究，形成了如TestML、CTE等測(cè)試用例生成工具，通過(guò)應(yīng)用dSPACEMATLAB/Simulink Rhapsody等控制系統(tǒng)開發(fā)工具進(jìn)行仿真測(cè)試也取得了一些成果，形成了各自的解決方案，但是國(guó)內(nèi)廠商在使用這些方案時(shí)，通常需要支付昂貴的軟硬件費(fèi)用。目前測(cè)試手段已經(jīng)擺脫了在原型車中進(jìn)行的方式，半自動(dòng)化自動(dòng)化的測(cè)試流程成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

對(duì)廠家而言，要根據(jù)自己的機(jī)型進(jìn)行控制器功能定義，運(yùn)用國(guó)外測(cè)試方案存在周期長(zhǎng)費(fèi)用高擴(kuò)展難等不利因素，有時(shí)直接套用國(guó)外技術(shù)。因此，掌握一種控制器功能測(cè)試技術(shù)，對(duì)提高廠家的自主研發(fā)能力具有重要意義。

硬件在環(huán)仿真（HIL）是自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)常用的技術(shù)手段之一，利用計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)算機(jī)形成一個(gè)閉環(huán)的測(cè)試系統(tǒng)，該方法使測(cè)試具有可重復(fù)性。外部條件可控制、可進(jìn)行臨界測(cè)試和極限測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。

使用HIL需要一個(gè)仿真控制器，用于產(chǎn)生測(cè)試用例需要的信號(hào)，同時(shí)接收待測(cè)ECU的信號(hào)。目前大部分硬件在環(huán)編寫測(cè)試的方式有多種，例如代碼式（腳本語(yǔ)言）、框圖式或表格式。但是測(cè)試用例編寫的工作量非常大而且非常復(fù)雜，甚至超過(guò)了待測(cè)控制器本身的軟件編寫工作，單靠某種測(cè)試用例編寫方式已經(jīng)無(wú)法滿足目前需求。因此需要簡(jiǎn)易與靈活的方式相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)試用例的編寫。

IEC 61131-3是目前唯一的關(guān)于工業(yè)控制編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，利用它的語(yǔ)言進(jìn)行HIL控制器開發(fā)的測(cè)試用例的編寫，又可在線觀察測(cè)試用例變量。對(duì)自行進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)和測(cè)試的廠家，本身就使用IEC61131的語(yǔ)言來(lái)編程，因此使用它進(jìn)行控制器的測(cè)試并非難事。

本文介紹了一種基于IEC61131的工程機(jī)械控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成

硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)成如圖1所示。

待測(cè)控制器運(yùn)行時(shí)接收各種開關(guān)和傳感器信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算后輸出控制信號(hào)（如控制電磁閥、繼電器或電機(jī)的信號(hào)）。仿真測(cè)試平臺(tái)發(fā)出待測(cè)控制器需要接收的開關(guān)和傳感器信號(hào)，并接收控制器輸出的控制信號(hào)，判斷控制器的反饋是否正確，并將測(cè)試結(jié)果發(fā)送給PC上安裝的試驗(yàn)管理軟件。試驗(yàn)管理軟件用于在測(cè)試中接收測(cè)試結(jié)果、觀察中間變量以及生成測(cè)試報(bào)告。61131編程系統(tǒng)用于測(cè)試樣例的編寫和機(jī)器模型的輸入，還可以進(jìn)行測(cè)試用例的調(diào)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(fù)載是仿真控制根據(jù)測(cè)試用例的配置編程的負(fù)載，可以編程為繼電器、電磁閥、電機(jī)等負(fù)載，也可以用真實(shí)負(fù)載替換。也可以不使用可編程負(fù)載，而是使用負(fù)載模型（或機(jī)器模型）。

以下對(duì)各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1仿真控制器

2.1.1傳感器信號(hào)發(fā)生電路。

仿真控制器由傳感器信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)采集電路和MCU中運(yùn)行的測(cè)試樣例與負(fù)載（機(jī)器）模型組成。

傳感器信號(hào)發(fā)生電路可以模擬開關(guān)型、電阻型、電流型、電壓型、脈沖型和正弦信號(hào)的輸出。

在整機(jī)上開關(guān)型信號(hào)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(yùn)行測(cè)試用例程序，測(cè)試用例程序通過(guò)MCU的I2C總線將指令發(fā)送給CPLD，CPLD根據(jù)指令控制端口為高電平、低電平或懸空位置。驅(qū)動(dòng)芯片將CPLD輸出的電平轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)繼電器的電平，實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)的輸出。

電阻型信號(hào)實(shí)現(xiàn)：測(cè)試用例程序通過(guò)SPI控制模擬開關(guān)芯片控制所接入的電阻大小，實(shí)現(xiàn)電阻型信號(hào)的輸出。

電壓型、電流型和正弦波信號(hào)的實(shí)現(xiàn)：測(cè)試用例程序通過(guò)SPI控制DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）芯片將指令轉(zhuǎn)換為0～5V電壓，并通過(guò)CPLD控制模擬開關(guān)接通需要輸出的信號(hào)通道。

脈沖型信號(hào)實(shí)現(xiàn)：MCU通過(guò)輸出PWM來(lái)控制脈沖信號(hào)的占空比和頻率，并控制可編程電源來(lái)控制脈沖信號(hào)的峰值。

2.1.2信號(hào)采集電路。

信號(hào)采集電路是采集待測(cè)控制器發(fā)出的控制信號(hào)，例如開關(guān)控制信號(hào)、電磁閥控制信號(hào)。信號(hào)采集電路將信號(hào)采集后，根據(jù)測(cè)試樣例，將執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，將運(yùn)行結(jié)果發(fā)送到試驗(yàn)管理軟件。

PWM信號(hào)可以直接輸入仿真控制器，也可以輸入可編程負(fù)載。前者的優(yōu)點(diǎn)在于可以將PWM信號(hào)的占空比通過(guò)公式轉(zhuǎn)換為控電流再輸入控制對(duì)象模型，仿真速度較快；后者的優(yōu)點(diǎn)在于直接將電流輸入仿真控制器，更真實(shí)的模擬控制對(duì)象的響應(yīng)。

2.1.3仿真控制器的MCU。

仿真控制器的MCU采用高速信號(hào)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

MCU的底層硬件和驅(qū)動(dòng)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(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試樣例的編寫。編寫的方式非常靈活，復(fù)雜的樣例可以使用ST語(yǔ)言編寫，簡(jiǎn)單的樣例使用SFC、FB或FBD框圖式語(yǔ)言編寫。

MCU中的機(jī)器模型（或負(fù)載模型、控制對(duì)象模型）是封裝好的功能塊，用戶只要修改參數(shù)后直接調(diào)用即可。

2.1.4 CPLD/FPGA。

與MCU連接的CPLD是MCU功能的擴(kuò)展，用于采集和控制低速的IO信號(hào)，發(fā)送采集結(jié)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求。用戶使用編程系統(tǒng)可以對(duì)CPLD的輸入和輸出進(jìn)行配置。

2.2可編程電源

可編程電源為待測(cè)控制器和仿真控制器提供電源。提供給待測(cè)控制器的電源分2種，可編程為12V系統(tǒng)和24V系統(tǒng)，最大可以輸出40V，用于測(cè)試待測(cè)控制器的電源耐受力。提供給仿真控制的電源分為數(shù)字供電和驅(qū)動(dòng)供電。數(shù)字供電電壓低功率小；驅(qū)動(dòng)供電功率大，電壓可由9V調(diào)節(jié)到36V，用于測(cè)試待測(cè)控制器的端口電壓耐受力。可編程電源的電壓調(diào)節(jié)由試驗(yàn)管理軟件配置。

2.3可編程負(fù)載

可編程負(fù)載可以讓用戶選擇負(fù)載的類型：小燈、電磁閥或繼電器等。用戶也可以接入真實(shí)負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。

2.4試驗(yàn)管理軟件

試驗(yàn)管理軟件可通過(guò)設(shè)備的DLL文件與設(shè)備通信，進(jìn)行設(shè)備配置，并可讀寫試驗(yàn)配置，并導(dǎo)出試驗(yàn)結(jié)果生成試驗(yàn)報(bào)告。

3.展望

基于IEC61131的HIL測(cè)試平臺(tái)仍處于發(fā)展階段，各部件功能趨于向整合方面發(fā)展，這一方面可以降低測(cè)試的總成本，另一方面對(duì)部件的控制融合提出了更高要求，也為測(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 董艷艷.Hil在汽車整車測(cè)試及開發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2016年第16期，33-35.

作者簡(jiǎn)介：

李璘（1981—），女，廣西柳工機(jī)械股份有限公司研究總院高級(jí)主管工程師，研究方向?yàn)椋汗こ虣C(jī)械電控系統(tǒng)開發(fā)。