基于NIPXI平台的汽车测试HIL设计浅析

摘 要：本文基于NI PXI硬件平台和NI VeriStand管理软件提出了汽车动力总成控制模块（PCM）的硬件在环（HIL）系统总体设计方案，并测试了该系统，可结合输入系统驾驶数据对车辆速度等精确仿真，在一定程度上使PCM测试周期缩短，成本明显降低，在应用中具有较高价值。

关键词：HIL设计;NI PXI平台;汽车电子

1 前言

汽车上百余个元件都是由PCM模块控制，该模块对汽车运行具有直接影响。为使PCM快速开发及复杂化的控制功能之间存在的矛盾得到妥善解决，包括功能设计、快速控制原型、标定、HIL仿真及生成目标代码等环节的V模式开发流程在开发测试汽车电控系统中的应用日益广泛。目前，HIL仿真测试是最有效的一种PCM测试方法，已被各大汽车厂家逐步采用。本研究设计的HIL系统是HIL仿真测试系统主要是仿真测试汽车动力总成模块PCM，该系统的实现是以VeriStand上位机管理软件和NI PXI实时硬件系统为基础，应用于开发汽车动力性能项目时具有比较突出的效果，可在整车测试和开发相关产品中使硬件成本节约，开发周期有效缩短，汽车相关性能明显改善。

2 HIL系统整体框架

HIL系统主要由核心为实时处理器的硬件平台、上位机管理软件及I/O接口三部分组成。上位机与实时处理器采用以太网和工业串口连接，可对车辆模型的运行状态进行查看并采取相应控制措施。上位机与被测PCM利用CAN总线等接口连接，可执行标定、诊断及程序写入等相关操作。实时仿真机柜主要应用于对PCM信号及运行模型的接收，同时将相应传感器信号输出。接收传感器信号后，PCM通过内部计算将喷油、点火等控制信号输出。在HIL系统中，一般采用电阻电感负载对执行器模拟，经负载板卡后，控制信号被汽车仿真模型采集，整个系统的控制形成闭环。

3 HIL的软硬件系统

（1）软件系统。主要由汽车仿真模型、FPGA自定义驱动模块及VeriStand测试系统管理软件组成，汽车模型分为驾驶员、汽车系统及环境三个模型，其开发基于MATLAB/Simulink。本研究中HIL系统的建立基于上位机管理软件NI VeriStand，VeriStand可对数字、模拟、注入故障的FIU板卡及基于FPGA硬件I/O接口进行配置，可导入控制算法和仿真模型。PCM自定义设备程序利用NI LabVIEW软件及FPGA模块设计，可对发动机时序信号、PCM喷油点火信号采集等进行精确模拟。

（2）硬件系统。主要由I/O板卡、信号调理模块、实时处理器、模拟负载、故障注入模块及系统电源BOB分线箱组成。

I/O板卡设计了采集输入数字量电压、采集电流、输出电阻值、输出模拟量电压、输出PWM 波、输出继电器、六个功能。温度类传感器属电阻类信号，通过查表仿真模型将温度向电阻值转换，处于1欧到1兆欧之间的范围，因此，可用20位电阻加权使该范围输出的电阻值实现。模拟量电压信号由压力传感器、位置传感器等信号组成，要求处于0—5V的范围，模拟信号输出板卡选择NI PXI-6723模拟输出模块，该模块中有32路13位模拟输出通道，可使信号仿真、激励响应、执行器激励及生成波形等应用需求得到满足。PWM波信号输出主要对霍尔转速、曲轴、凸轮轴及速度等传感器进行模拟，由于曲轴和凸轮轴传感器对时间具有较高的精度要求，对汽车喷油点火信号具有直接影响，进而对汽车动力性能产生影响，因此，PWM波输出和采集的I/O板卡可选择配置数字I/O模块具有FPGA模块的NI PXI-7813R。继电器输出是对开关量输出的模拟信号，对继电器与电源或地通过PXI-7813R数字输出控制信号控制通断。由于这类传感器主要采用对内部大功率开关管控制导通截止的方式实现对电磁阀或其它外部执行器通断的有效控制，因此采用PXI-7813R的FPGA数据采集模块对PCM数字输出直接测量方式对相应控制信号信息进行检测。经FPGA模块计算后，采集的数字信号将有关信息量向汽车仿真模型的实时处理器运行中输入。

HIL系统采用NI PXI-8119嵌入式控制器作为实时计算平台，该控制器是高性能嵌入式控制器，基于Inter Core i7-3610QE处理器将CPU、内存、硬盘、视频、以太网、USB 、串口等集成，不只是系统空间明显减少，系统成本降低，在数据采集及处理器密集型模块化场合中更适合应用。

模擬负载主要模拟电机、电磁阀、喷油器等PCM外部执行器负载，结合执行器及仿真模型参数，将模拟负载分为电阻+电感、继电器及电阻三种形式，对电阻、电感等的选择结合执行器负载模型模拟，进而使测试要求得到满足。

为实现诊断PCM故障及验证其可靠性等方面的测试，应将FIU故障注入模块插入待测PCM与HIL系统之间。故障注入板卡选择两块NI PXI-2510信号插入开关模块，各模块有馈通通道，可将一个或多个故障总线断开或短路，该架构可对开路或中断连接，电池电压、引脚间短路及每个通道接地等方式的短路进行模拟。

4 HIL系统调试

为在实验中使汽车性能和运行情况得到更好体现，很多被开发的不同汽车工况在开发车辆燃油消耗量及新车型技术评估中得到广泛应用，以美国FTP为代表的瞬时工况在美国测试工况中广泛应用于世界各国。将车辆测试中的油门踏板数据向HIL系统中输入，可在HIL系统中对车辆的速度曲线进行仿真。HIL系统对车辆速度的仿真误差小于8%，精度较高，实时性良好，对PCM的HIL仿真测试要求可基本达到，有利于PCM开发缩短时间，便于在PCM开发中妥善解决测试验证各种功能的问题。

5 总结

综上所述，本文提出的基于NI PXI平台汽车测试HIL设计可与驾驶员模型和输入系统数据相结合进行控制，表明该HIL系统的有效性，使用价值较高。下步工作将深入了解PCM控制过程，使测试系统的信号完整性及测试精度得到明显改善。

参考文献：

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作者简介：黄晨，男，辽宁沈阳人，本科，研究方向：自动化、测试测量。

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