基于NIPXI平臺的汽車測試HIL設計淺析

摘 要：本文基于NI PXI硬件平臺和NI VeriStand管理軟件提出了汽車動力總成控制模塊（PCM）的硬件在環（HIL）系統總體設計方案，并測試了該系統，可結合輸入系統駕駛數據對車輛速度等精確仿真，在一定程度上使PCM測試周期縮短，成本明顯降低，在應用中具有較高價值。

關鍵詞：HIL設計;NI PXI平臺;汽車電子

1 前言

汽車上百余個元件都是由PCM模塊控制，該模塊對汽車運行具有直接影響。為使PCM快速開發及復雜化的控制功能之間存在的矛盾得到妥善解決，包括功能設計、快速控制原型、標定、HIL仿真及生成目標代碼等環節的V模式開發流程在開發測試汽車電控系統中的應用日益廣泛。目前，HIL仿真測試是最有效的一種PCM測試方法，已被各大汽車廠家逐步采用。本研究設計的HIL系統是HIL仿真測試系統主要是仿真測試汽車動力總成模塊PCM，該系統的實現是以VeriStand上位機管理軟件和NI PXI實時硬件系統為基礎，應用于開發汽車動力性能項目時具有比較突出的效果，可在整車測試和開發相關產品中使硬件成本節約，開發周期有效縮短，汽車相關性能明顯改善。

2 HIL系統整體框架

HIL系統主要由核心為實時處理器的硬件平臺、上位機管理軟件及I/O接口三部分組成。上位機與實時處理器采用以太網和工業串口連接，可對車輛模型的運行狀態進行查看并采取相應控制措施。上位機與被測PCM利用CAN總線等接口連接，可執行標定、診斷及程序寫入等相關操作。實時仿真機柜主要應用于對PCM信號及運行模型的接收，同時將相應傳感器信號輸出。接收傳感器信號后，PCM通過內部計算將噴油、點火等控制信號輸出。在HIL系統中，一般采用電阻電感負載對執行器模擬，經負載板卡后，控制信號被汽車仿真模型采集，整個系統的控制形成閉環。

3HIL的軟硬件系統

（1）軟件系統。主要由汽車仿真模型、FPGA自定義驅動模塊及VeriStand測試系統管理軟件組成，汽車模型分為駕駛員、汽車系統及環境三個模型，其開發基于MATLAB/Simulink。本研究中HIL系統的建立基于上位機管理軟件NI VeriStand，VeriStand可對數字、模擬、注入故障的FIU板卡及基于FPGA硬件I/O接口進行配置，可導入控制算法和仿真模型。PCM自定義設備程序利用NI LabVIEW軟件及FPGA模塊設計，可對發動機時序信號、PCM噴油點火信號采集等進行精確模擬。

（2）硬件系統。主要由I/O板卡、信號調理模塊、實時處理器、模擬負載、故障注入模塊及系統電源BOB分線箱組成。

I/O板卡設計了采集輸入數字量電壓、采集電流、輸出電阻值、輸出模擬量電壓、輸出PWM 波、輸出繼電器、六個功能。溫度類傳感器屬電阻類信號，通過查表仿真模型將溫度向電阻值轉換，處于1歐到1兆歐之間的范圍，因此，可用20位電阻加權使該范圍輸出的電阻值實現。模擬量電壓信號由壓力傳感器、位置傳感器等信號組成，要求處于0—5V的范圍，模擬信號輸出板卡選擇NI PXI-6723模擬輸出模塊，該模塊中有32路13位模擬輸出通道，可使信號仿真、激勵響應、執行器激勵及生成波形等應用需求得到滿足。PWM波信號輸出主要對霍爾轉速、曲軸、凸輪軸及速度等傳感器進行模擬，由于曲軸和凸輪軸傳感器對時間具有較高的精度要求，對汽車噴油點火信號具有直接影響，進而對汽車動力性能產生影響，因此，PWM波輸出和采集的I/O板卡可選擇配置數字I/O模塊具有FPGA模塊的NI PXI-7813R。繼電器輸出是對開關量輸出的模擬信號，對繼電器與電源或地通過PXI-7813R數字輸出控制信號控制通斷。由于這類傳感器主要采用對內部大功率開關管控制導通截止的方式實現對電磁閥或其它外部執行器通斷的有效控制，因此采用PXI-7813R的FPGA數據采集模塊對PCM數字輸出直接測量方式對相應控制信號信息進行檢測。經FPGA模塊計算后，采集的數字信號將有關信息量向汽車仿真模型的實時處理器運行中輸入。

HIL系統采用NI PXI-8119嵌入式控制器作為實時計算平臺，該控制器是高性能嵌入式控制器，基于Inter Core i7-3610QE處理器將CPU、內存、硬盤、視頻、以太網、USB 、串口等集成，不只是系統空間明顯減少，系統成本降低，在數據采集及處理器密集型模塊化場合中更適合應用。

模擬負載主要模擬電機、電磁閥、噴油器等PCM外部執行器負載，結合執行器及仿真模型參數，將模擬負載分為電阻+電感、繼電器及電阻三種形式，對電阻、電感等的選擇結合執行器負載模型模擬，進而使測試要求得到滿足。

為實現診斷PCM故障及驗證其可靠性等方面的測試，應將FIU故障注入模塊插入待測PCM與HIL系統之間。故障注入板卡選擇兩塊NI PXI-2510信號插入開關模塊，各模塊有饋通通道，可將一個或多個故障總線斷開或短路，該架構可對開路或中斷連接，電池電壓、引腳間短路及每個通道接地等方式的短路進行模擬。

4 HIL系統調試

為在實驗中使汽車性能和運行情況得到更好體現，很多被開發的不同汽車工況在開發車輛燃油消耗量及新車型技術評估中得到廣泛應用，以美國FTP為代表的瞬時工況在美國測試工況中廣泛應用于世界各國。將車輛測試中的油門踏板數據向HIL系統中輸入，可在HIL系統中對車輛的速度曲線進行仿真。HIL系統對車輛速度的仿真誤差小于8%，精度較高，實時性良好，對PCM的HIL仿真測試要求可基本達到，有利于PCM開發縮短時間，便于在PCM開發中妥善解決測試驗證各種功能的問題。

5 總結

綜上所述，本文提出的基于NI PXI平臺汽車測試HIL設計可與駕駛員模型和輸入系統數據相結合進行控制，表明該HIL系統的有效性，使用價值較高。下步工作將深入了解PCM控制過程，使測試系統的信號完整性及測試精度得到明顯改善。

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作者簡介：黃晨，男，遼寧沈陽人，本科，研究方向：自動化、測試測量。