硬件在環(huán)（HIL）測試系統(tǒng)的架構(gòu)

HIL仿真是一種功能強(qiáng)大的測試方法，可以用于更加有效的測試嵌入式控制系統(tǒng)。當(dāng)測試嵌入式控制系統(tǒng)時，從安全性，可行性和合理的成本上考慮，使用全系統(tǒng)進(jìn)行所有必要的測試是不現(xiàn)實的。您可以使用HIL仿真來模擬部分系統(tǒng)以面對這些挑戰(zhàn)，在將整個系統(tǒng)進(jìn)行實際測試之前使您能夠在虛擬環(huán)境下測試嵌入式控制器件。有了這個功能，即使您要測試的系統(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可靠性和市場投放。要更多地了解HIL測試如何改善控制系統(tǒng)驗證，請觀看什么是HIL測試網(wǎng)上視頻. 本教程討論了各種HIL測試系統(tǒng)架構(gòu)和如何去實現(xiàn)它們。

1.HIL測試系統(tǒng)的組成
HIL測試系統(tǒng)由三個主要部分組成：一個實時處理器、I/O接口和一個操作界面。實時處理器是HIL測試系統(tǒng)的核心。它提供大多數(shù)HIL測試系統(tǒng)的確定執(zhí)行，例如硬件I/O通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵生成和模型執(zhí)行。要精確地仿真測試系統(tǒng)中物理上并不存在的部分，一個實時系統(tǒng)是非常必要的。I/O接口是與被測部件交互的模擬，數(shù)字和總線信號。您可以用它們來產(chǎn)生激勵信號，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)，并提供被測的電子控制單元 (ECU)與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執(zhí)行器交互。操作界面與實時處理器通信，提供測試命令和可視化。在大多數(shù)情況下，這個部件也提供配置管理、測試自動化、分析和報告任務(wù)。

圖1. 一個HIL測試系統(tǒng)由三個主要部分組成：一個操作界面，一個實時處理器和I/O接口。

2. 硬件故障插入
許多HIL測試系統(tǒng)使用硬件故障插入在ECU和其余要測試的系統(tǒng)之間產(chǎn)生信號故障，來測試，描述和驗證在這些情況下的器件性能。要做到這一點，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測試系統(tǒng)在正常運行和諸如對地短路或開路之類的故障狀態(tài)之間切換接口信號。

圖3. 汽車，飛機(jī)和風(fēng)力發(fā)電站使用多ECU

當(dāng)測試一個多ECU控制系統(tǒng)時（甚至一些單ECU控制系統(tǒng)），經(jīng)常出現(xiàn)兩個需求：附加處理能力和簡化連線。

4. 額外的處理能力-分布式處理
即使采用最新的多核處理能力，一些系統(tǒng)仍要求更多的，超過單底板的處理能力。為應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，您可以使用分布式處理技術(shù)來滿足這些系統(tǒng)的執(zhí)行要求。在高通道數(shù)的系統(tǒng)中，其需求超出了簡單的增加處理能力，額外的I/O也是必不可少的。相比之下，采用大規(guī)模，耗費處理器設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)常使用附加的底板，僅僅是為了提供額外的處理能力，從而允許那些處理器能以很高的效率應(yīng)用于單個任務(wù)。根據(jù)仿真任務(wù)的分布情況，可能需要在底板之間共享觸發(fā)和定時信號，并提供確定的數(shù)據(jù)鏡像來提高協(xié)同運作的能力。

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

5. 簡化連線-分布式I/O
實現(xiàn)和維護(hù)高通道數(shù)系統(tǒng)的連線會面對昂貴和費時的挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)需要在ECU和HIL測試系統(tǒng)之間連接成百上千個信號，經(jīng)常為補償空間要求跨越很多米。

幸運的是，確定分布I/O技術(shù)能幫助您理順這些復(fù)雜的連線并提供與ECU的模塊化連接，同時允許高效系統(tǒng)配置的修改。無需將所有的連接排布在單個機(jī)架里的一個或多個具有I/O接口的實時處理底板上，您可以使用確定分布I/O來提供模塊化的I/O接口，這些接口位于靠近各個ECU的位置，從而不會犧牲精確仿真系統(tǒng)虛擬部分所必須的高速確定性需求。

這種方法極大的減少了HIL測試系統(tǒng)連線的花費和復(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，使用一個單獨的總線電纜來擴(kuò)展到實時處理底板的距離。此外，由于這種方法的模塊化特性，HIL測試系統(tǒng)能夠毫不費力地逐步擴(kuò)展，從除一個以外其它都是仿真ECU的系統(tǒng)到完全沒有仿真ECU的完整HIL系統(tǒng)。

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測試系統(tǒng)的連線花費和復(fù)雜性

6. 實現(xiàn)HIL測試系統(tǒng)
一旦您為您的HIL測試系統(tǒng)選擇了適當(dāng)?shù)臉?gòu)架，創(chuàng)建一個HIL測試系統(tǒng)的第一步是選擇最能滿足您新要求的實時處理元件。NI公司為執(zhí)行HIL測試系統(tǒng)提供了廣泛的實時處理選擇。因為它們都基于開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以它們能確保您總能將最新的PC技術(shù)進(jìn)展用在您的HIL測試系統(tǒng)中，從而始終滿足未來測試系統(tǒng)的要求。

PXI是一款基于PC的測試，測量和控制的開放平臺。它提供廣泛的實時處理器選擇，包括數(shù)個高性能的雙核和四核處理器。有超過70個供應(yīng)商提供1200多種PXI產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)有數(shù)千公司選擇了PXI平臺。

PXI平臺能在很多同步技術(shù)下工作，包括通過IRIG-B, IEEE 1588, SCRAMNet以及反射內(nèi)存來在多機(jī)箱HIL測試系統(tǒng)中用于共享定時，觸發(fā)和數(shù)據(jù)。

NI公司也提供了數(shù)個用于低成本，小體積的HIL測試系統(tǒng)供選擇。NICompactRIO是一種低成本的可重配置的控制和采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用由可重配置I/O(RIO)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)組成一個小型的開放式嵌入式架構(gòu)。

這種技術(shù)將實時處理器和用戶可編程FPGA結(jié)合起來。您可以使用FPGA創(chuàng)建自定義的I/O特性并且可以把模型執(zhí)行和信號處理運算從實時處理器下放到FPGA上來提高HIL測試系統(tǒng)的性能。

7. 總結(jié)
在決定和選擇能滿足您的HIL測試系統(tǒng)需求的，適當(dāng)?shù)膶崟r處理部件之后，您需要為您的ECU選擇所需的I/O接口。請閱讀選擇硬件在環(huán)(HIL)測試系統(tǒng) I/O接口以更多的了解可用于您的HIL測試系統(tǒng)的I/O接口。