硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

一、概覽

仿真是一種功能強(qiáng)大的測(cè)試方法，可以提高測(cè)試的有效性。從安全性，可行性和合理的成本上考慮，對(duì)被測(cè)對(duì)象（如嵌入式控制器）進(jìn)行所有必要的測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的。您可以使用仿真來(lái)模擬部分系統(tǒng)以面對(duì)這些挑戰(zhàn)。在將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，仿真使得您能夠在虛擬環(huán)境下測(cè)試嵌入式控制器。有了仿真測(cè)試，即使您要測(cè)試的系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，您也可以以一種具有成本效益的方式維持產(chǎn)品的可靠性和縮短上市時(shí)間。

一旦您為HIL測(cè)試系統(tǒng)選擇了適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)HIL測(cè)試系統(tǒng)的第一步是選擇＊能滿(mǎn)足您新要求的實(shí)時(shí)處理。芒果樹(shù)公司為執(zhí)行HIL測(cè)試系統(tǒng)提供了廣泛的產(chǎn)品選擇。

基于可重配置I/O技術(shù)，芒果樹(shù)科技推出了應(yīng)用于硬件在環(huán)測(cè)試HIL的RobustRIO測(cè)控平臺(tái)。平臺(tái)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如Linux RT）, 支持多樣的模型文件導(dǎo)入，如Simulink模型文件。平臺(tái)搭載公司自研E系列I/O模塊，可以完成豐富的ECU 接口采集和激勵(lì)。平臺(tái)支持基于1588協(xié)議的機(jī)箱級(jí)聯(lián)，為分布式ECU測(cè)試提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

RobustRIO基于”CPU+FPGA+AD/DA”開(kāi)放的構(gòu)架，所以能確保您總能將＊新的PC技術(shù)進(jìn)展用在您的HIL測(cè)試系統(tǒng)中，從而始終滿(mǎn)足未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的要求。

二、內(nèi)容

HIL測(cè)試系統(tǒng)的組件

硬件故障插入

測(cè)試多ECU系統(tǒng)

附加處理能力-分布式處理

簡(jiǎn)化布線(xiàn)-分布式I/O

實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試系統(tǒng)

三、HIL測(cè)試系統(tǒng)的組件

HIL測(cè)試系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：一個(gè)實(shí)時(shí)處理器、I/O接口和一個(gè)操作界面。實(shí)時(shí)處理器是HIL測(cè)試系統(tǒng)的核心。它提供大多數(shù)HIL測(cè)試系統(tǒng)的確定執(zhí)行，例如硬件I/O通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵(lì)生成和模型執(zhí)行。要精確地仿真測(cè)試系統(tǒng)中物理上并不存在的部分，一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是非常必要的。I/O接口是與被測(cè)部件交互的模擬，數(shù)字和總線(xiàn)信號(hào)。您可以用它們來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)，并提供被測(cè)的電子控制單元 (ECU)與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執(zhí)行器交互。操作界面與實(shí)時(shí)處理器通信，提供測(cè)試命令和可視化。操作界面也提供配置管理、測(cè)試自動(dòng)化、分析和報(bào)告任務(wù)等功能。

圖1. HIL測(cè)試系統(tǒng)由三個(gè)主要組件組成：操作界面、實(shí)時(shí)處理器和I/O接口。

四、硬件故障插入

許多HIL測(cè)試系統(tǒng)使用硬件故障插入在ECU和其余要測(cè)試的系統(tǒng)之間產(chǎn)生信號(hào)故障，來(lái)測(cè)試，描述和驗(yàn)證在這些情況下的器件性能。要做到這一點(diǎn)，您可以在I/O接口和ECU之間插入故障插入單元(FIUs)，從而允許HIL測(cè)試系統(tǒng)在正常運(yùn)行和諸如對(duì)地短路或開(kāi)路之類(lèi)的故障狀態(tài)之間切換接口信號(hào)

圖2. 您可以使用硬件故障插入來(lái)測(cè)試信號(hào)故障期間ECU的性能。

五、測(cè)試多ECU系統(tǒng)

一些嵌入式控制系統(tǒng)，例如汽車(chē)，飛機(jī)或者風(fēng)力發(fā)電站，使用一起聯(lián)網(wǎng)工作的多ECU協(xié)同運(yùn)行。盡管每一個(gè)ECU＊初被獨(dú)立測(cè)試過(guò)，但是系統(tǒng)一體化HIL測(cè)試系統(tǒng)（如整車(chē)模擬器或鐵鳥(niǎo)模擬器），還是經(jīng)常被采用以提供更完整的虛擬測(cè)試

圖3.汽車(chē)、飛機(jī)和風(fēng)力發(fā)電站使用多個(gè)ECU。

在測(cè)試多ECU控制系統(tǒng)（甚至一些單個(gè)ECU控制系統(tǒng)）時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩種需要：附加的處理能力和簡(jiǎn)化連線(xiàn)。

六、額外的處理能力-分布式處理

即使采用＊新的多核處理能力，一些系統(tǒng)仍要求更多的，超過(guò)單個(gè)機(jī)箱的處理能力。為應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，您可以使用分布式處理技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足這些系統(tǒng)的執(zhí)行要求。在高通道數(shù)的系統(tǒng)中，其需求超出了簡(jiǎn)單的增加處理能力，額外的I/O也是必不可少的。相比之下，運(yùn)行大型實(shí)時(shí)模型的系統(tǒng)經(jīng)常使用額外的處理器機(jī)箱以提供額外的處理能力，從而允許單個(gè)處理器能以很高的效率應(yīng)用于單個(gè)任務(wù)。根據(jù)仿真任務(wù)的分布情況，可能需要在機(jī)箱之間共享觸發(fā)和定時(shí)信號(hào)，并提供確定的數(shù)據(jù)鏡像來(lái)提高協(xié)同運(yùn)作的能力。

圖4.當(dāng)為得到附加處理能力采用多重機(jī)箱時(shí)，在它們之間提供時(shí)間和數(shù)據(jù)同步接口是很有必要的。

七、簡(jiǎn)化連線(xiàn)-分布式I/O

實(shí)現(xiàn)和維護(hù)高通道數(shù)系統(tǒng)的連線(xiàn)可能會(huì)面對(duì)昂貴和耗時(shí)的挑戰(zhàn)。 這些系統(tǒng)可能需要在ECU和HIL測(cè)試系統(tǒng)之間連接數(shù)百到數(shù)千個(gè)信號(hào)，通?？缭蕉嗝滓匝a(bǔ)償空間需求。

幸運(yùn)的是，“確定性分布I/O技術(shù)”能幫助您理順這些復(fù)雜的連線(xiàn)并提供與ECU的模塊化連接，同時(shí)允許高效系統(tǒng)配置的修改。無(wú)需將所有I/O接口連線(xiàn)連接回單個(gè)主機(jī)箱，您可以使用確定分布I/O來(lái)提供模塊化的I/O接口，這些接口位于靠近各個(gè)ECU的位置，從而不會(huì)犧牲仿真模型的精確性和實(shí)時(shí)性。

這種方法極大的減少了HIL測(cè)試系統(tǒng)連線(xiàn)的成本和復(fù)雜程度，它使ECU和I/O接口之間的局部連接（跨度小于1米）成為可能，同時(shí)，使用一個(gè)單獨(dú)的總線(xiàn)電纜來(lái)鏈接實(shí)時(shí)處理器。此外，由于這種方法的模塊化特性，HIL測(cè)試系統(tǒng)能夠輕松地逐步擴(kuò)展。

圖5.由于ECU和I/O接口采用局部連接，確定分布I/O接口極大的降低了HIL測(cè)試系統(tǒng)的連線(xiàn)成本和復(fù)雜性。

八、實(shí)現(xiàn)HIL測(cè)試系統(tǒng)

一旦您為HIL測(cè)試系統(tǒng)選擇了適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)HIL測(cè)試系統(tǒng)的第一步是選擇＊能滿(mǎn)足您新要求的實(shí)時(shí)處理。芒果樹(shù)公司為執(zhí)行HIL測(cè)試系統(tǒng)提供了廣泛的產(chǎn)品選擇。

基于可重配置I/O技術(shù)，芒果樹(shù)科技推出了應(yīng)用于硬件在環(huán)測(cè)試HIL的RobustRIO測(cè)控平臺(tái)。平臺(tái)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如Linux RT）, 支持多樣的模型文件導(dǎo)入，如Simulink模型文件。平臺(tái)搭載公司自研E系列I/O模塊，可以完成豐富的ECU 接口采集和激勵(lì)。平臺(tái)支持機(jī)箱菊花鏈級(jí)聯(lián)，為分布式ECU測(cè)試提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

RobustRIO基于”CPU+FPGA+AD/DA”開(kāi)放的構(gòu)架，所以能確保您總能將＊新的PC技術(shù)進(jìn)展用在您的HIL測(cè)試系統(tǒng)中，從而始終滿(mǎn)足未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的要求。

芒果樹(shù)RobustRIO測(cè)控平臺(tái)是開(kāi)放和可擴(kuò)展的，這意味著它可以適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)需求。 由于其模塊化架構(gòu)，RobustRIO可以很容易地升級(jí)附加功能，這有助于驗(yàn)證您的測(cè)試系統(tǒng)，并滿(mǎn)足＊苛刻的嵌入式軟件測(cè)試應(yīng)用程序的要求。 除了研發(fā)和生產(chǎn)豐富的I/O模塊之外，平臺(tái)還支持第三方軟件工具，幫助您完成HIL自動(dòng)化測(cè)試，執(zhí)行后處理和報(bào)告生成，并將測(cè)試結(jié)果映射到測(cè)試需求。 這些第三方工具幫助您在軟件開(kāi)發(fā)的早期進(jìn)行更廣泛的測(cè)試，從而降低整體開(kāi)發(fā)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

九、用戶(hù)案例：

南京航天航空大學(xué)：芒果樹(shù)RIO系列產(chǎn)品用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)HIL測(cè)試中