基于NI-PXI平臺的汽車電控單元HiL系統設計與開發

吳利廣，韓忠良，李 飛，景立新，王振峰

（1.天津大學，天津 300192；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

硬件在環（Hardware-in-the- Loop, HiL）作為一種先進的仿真技術，改變了汽車控制系統的傳統開發手段，HIL系統可將電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）及執行器等硬件連接到系統回路中，對控制系統的控制策略、控制功能及系統可靠性等進行測試評估，在實驗室條件下發現并解決問題，從而提高控制系統的開發效率[1-4]。

現在HiL平臺廣泛應用于汽車電控系統開發的各個方面[5-7]。但是現有平臺集成度低，只適用于特定的仿真環境，通用性不強且操作復雜。本文綜合成本、開發難度和擴展性等因素，選擇基于NI-PXI的開發方案，設計一款通用性好、操作容易的汽車電控單元硬件在環測試平臺，用于汽車電控單元測試。

1 基于NI-PXI平臺的硬件在環系統設計

1.1 HiL系統的總體架構設計

為設計一款具備通用性的硬件在環仿真測試系統，綜合分析當前汽車控制器（如車身控制模塊、黏性耦合差速器、無鑰匙系統等）的信號種類和引腳數量，根據最大覆蓋度的原則，選擇NI-PXI板卡資源；根據模型仿真復雜程度，確定實時仿真控制器性能；根據常用測試功能需求，設計相應的輔助測試模塊。

所選用的NI-PXI系統組成為NI PXIe-1078機箱、PXIe-8840 RT實時控制器、NI PXI-6528 DIO板卡、NI PXIe-6738 AO板卡、NI PXI-6220 AI板卡、NI PXI-8512/2 CAN板卡、LIN板卡。為了滿足故障注入和常規負載模擬的功能需求，設計故障注入模塊和負載模擬模塊（大功率電阻）。然后將所有硬件設備集成到38U標準工業機柜中，實現硬件設備集成管理。基于NI-PXI平臺的HiL系統整體架構如圖1所示。

圖1 HiL系統整體架構圖

為提高HiL系統使用便捷性和規范性，系統 的各個模塊采用標準接插件進行連接。如圖1所示，程控電源為控制器或其他用電設備供電，程控電源通過RS232接口與上位機連接，通過上位機界面對電源電壓、電流進行設置。負載模擬用于模擬控制器連接的負載，如電磁閥、氣泵等設備，根據實際情況也可以接入真實負載，通過485總線與上位機連接，可以在上位機界面中控制負載的通斷與負載大小。故障注入是對控制器進行故障診斷測試不可或缺的環節，故障注入模塊通過CAN總線進行控制，由上位機根據通信協議控制CAN板卡發送報文，進而控制故障注入板卡通道的故障注入類型。NI-PXI系統是HiL系統的核心模塊，包括實時控制器板卡和其他通信板卡，這些板卡通過PXI總線與PXI機箱互連，實現高速實時通信，PXI系統通過TCP/IP協議與上位機連接，由上位機對PXI系統的各類通道進行配置和管理。然后HiL系統通過EDAC-120接口與控制器連接，接口規范，使用方便。

1.2 自定義故障注入模塊設計說明

故障注入模塊應用于控制器故障診斷功能測試環節，NI公司的PXI 8010板卡和Pickering公司的故障注入板卡是在進行故障注入設計時的常用設備，但是它們只能依賴于PXI或Pickering機箱，使用范圍和場合受到限制，而且價格較為昂貴。為了降低成本提高模塊適應性，設計基于CAN總線的故障注入模塊，如圖2所示，其通過DB頭連接，能夠在CAN通信條件下單獨工作而無需依賴其他機箱，使用方便且價格便宜。

圖2 基于CAN總線的故障注入模塊

1.3 HiL系統管理方案

NI-PXI平臺可以通過多種軟件進行管理，如LabWindowsTM/CVI、Visual C/C++等。為發揮其優勢，降低軟件開發難度，提高系統開發效率和穩定性，選用NI軟件管理。具體采用LabVIEW和VeriStand作為軟件平臺，另外使用TestStand運行測試用例生成測試報告。系統管理方案如圖3所示。

圖3 HiL系統管理方案圖

完成HiL系統搭建后，系統狀態如圖4所示。

圖4 HiL系統測試狀態圖

2 系統監控管理軟件設計

為提高系統的可操作性和功能完備性，需要通過統一的監控管理界面對系統各種設備進行控制和管理，以降低系統使用難度，提高可操作性。

根據HiL系統在汽車電控單元測試中經常要實現的功能，對上位機監控管理軟件提出以下幾點要求：

（1）具有友好的人機交互界面，能夠實時監控模型運行狀態，并能夠對模型參數進行修改。

（2）能夠回放歷史數據，即能夠將Excel、txt等文件中的數據信息通過該HiL系統進行回放，傳遞給系統的I/O及CAN/LIN通道，該功能意義在于將實車路試采集的數據在HiL系統中回放從而實現對控制邏輯的測試，該方法無需搭建模型。

（3）能夠實現手動控制，即能夠在上位機監控界面中手動改變輸出通道的輸出值，這樣可以對控制器的某些控制邏輯進行簡單快速的測試，而無需設計測試用例進行長時間準備。

（4）能夠在上位機中控制程控電源的開始/停止并能夠對其電壓、電流進行設置。

（5）能夠對故障注入通道進行配置。（6）能夠自動運行測試序列，生成測試報告。基于以上要求對上位機管理軟件進行設計。軟件功能定義如圖5所示。

圖5 上位機管理軟件功能定義

基于LabVIEW軟件開發了管理程序。通過LabVIEW軟件中的VeriStand API設計管理程序，使其能夠在VeriStand軟件環境中運行。該管理程序可通過切換按鈕進入不同的操作界面，從而實現不同的功能，操作界面包含數據回放界面、手動控制界面和程控電源控制界面。

3 模型設計及仿真

3.1 模型設計

使用該系統對開發中的懸架控制器進行仿真測試，懸架控制器是空氣懸架的核心單元，作用是根據整車狀態以及空氣彈簧的實時狀態對其充排氣進行控制。為了實現對懸架控制器的測試，需要建立盡可能準確的空氣彈簧動力學模型，但是空氣彈簧具有不同氣壓下變剛度的特點，且溫度、濕度等外界條件對橡膠彈性有影響，精確建模較困難。考慮到當前是對懸架控制器的控制邏輯進行驗證，模型只要符合實際變化趨勢即可滿足測試需求[8-9]。基于此，對空氣彈簧模型簡化，在Simulink中搭建了空氣彈簧模型。

之后要將Simulink模型下載到NI-RT實時系統中運行，流程如圖6所示。

圖6 模型開發及調用流程

3.2 模型仿真

懸架控制器的主要功能之一是根據用戶輸入信號調節空氣彈簧高度，高度模式分為三種：高位、中位、低位，懸架控制器控制空氣彈簧的充排氣進行高度調節。通過空氣彈簧模型模擬真實彈簧低位→高位→中位的調節過程，首先給懸架控制器輸入低位控制指令，讓空氣彈簧處于低位狀態，然后再分別輸入高位、中位指令，觀察高度調節曲線變化過程。

4 用例測試

4.1 離線數據仿真

離線數據仿真是將實車行駛時采集的整車信號通過HiL系統進行回放，對懸架控制器進行測試。該過程通過上位機管理軟件的回放模塊來實現，通過調用數據文件，將整車狀態數據實時傳遞給懸架控制器，同時記錄控制器的輸出信號，然后對結果進行分析，比較控制器的輸出結果是否與預期一致，實現對控制器的測試。

4.2 測試用例設計與執行

HiL系統最重要功能之一是運行測試用例，完善合理的測試用例是保證測試可靠的前提[10]。根據控制器功能規范設計測試用例[11]，本文生成開關量參數組合，再將懸架高度傳感器的模擬量信號添加到開關信號組合中。在完成每條測試用例輸入參數后需要設置期望的輸出結果，如表1所示。

表1 懸架控制器狀態表

控制器狀態轉換關系如圖7所示。

圖7 控制器狀態變化圖

根據對控制邏輯的分析，控制器會分別處于三種高度模式，而且每種高度模式下會有10種整車狀態，假設任意兩種狀態之間都可以轉換，測試用例理論條數為10×10×10=1000條。除去部分不可能存在的組合，對余下組合進行設計，在Excel中設置狀態切換和對應的參數組合值及對應的期望值。然后通過HiL系統調用Excel中的參數組合作為激勵信號輸入給懸架控制器，同時記錄控制器的輸出結果，將該結果與期望值進行比較，以判斷該條測試是否通過。基于Excel設計的測試用例表格結構如表2所示。

表2 懸架控制器測試用例表

完成測試用例表格設計后，即可開始測試用 例的執行，執行過程如圖8所示。

圖8 TestStand執行測試用例

在TestStand軟件中調用Ⅵ讀取Excel測試用例表格中的數據，將信號參數傳遞到系統的環境變量中，然后調用VeriStand項目將系統環境變量中存儲的信號參數賦給NI-PXI系統的I/O、CAN/LIN通道，懸架控制器接收到來自HiL系統的激勵信號輸入時，會執行相應的輸出動作，如控制電池閥的開閉以及氣泵充氣狀態等。與此同時，HiL系統會記錄并存儲控制器的輸出信號，將其與測試表格中的期望輸出進行比較，從而判斷該項測試是否通過，并存儲判斷結果。

5 結論

本文根據汽車懸架控制器的測試需求，設計一款基于NI-PXI平臺的通用HiL測試系統，基于LabVIEW和VeriStand軟件設計了功能全面且操作簡單的管理軟件，實現了系統設備的統一調度和管理。該系統可用于簡單的手動測試，也可以實現對整車記錄數據的回放，模擬實車工況進行控制器性能測試。此外，系統可通過VeriStand調用Simulink模型實現測試環境的實時仿真。最后設計了基于Excel表格的測試用例方法，通過Test-Stand軟件運行測試用例，并生成測試報告，實現了對控制器功能的全覆蓋測試，能夠精確定位控制邏輯問題，提高了懸架控制器的開發效率。

本文對HiL系統的設計和使用進行了較詳細的介紹，相關經驗適用于多數汽車電控單元測試系統的開發，具有一定的借鑒意義。