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内燃动力系统执行HIL测试的关键考虑因素
2018-11-07 23:11:23· 来源：恩艾NI
不同类型动力系统的关键考虑因素在动力总成控制模块（PCM）上执行HIL测试对系统提出了新的要求。由于其高度专业化特性，PCM除了依赖通用微控制器外，还依赖于专
不同类型动力系统的关键考虑因素
在动力总成控制模块（PCM）上执行hil测试对系统提出了新的要求。由于其高度专业化特性，PCM除了依赖通用微控制器外，还依赖于专用协处理器。例如，内燃发动机PCM必须处理特定的高速发动机信号，例如转动位置、爆震、气缸压力和精确执行器控制[2]。 PCM测试需处理这些独特的I/O和协处理器。因此，PCM测试系统，如待测组件，使用相应复杂的测试系统来测专用协处理器来提供足够的I/O复杂性。此外，尽管公司会不断发布新的PCM硬件和软件，但测试系统通常需要具有多年使用寿命。高度灵活性便成为测试系统的一个最基本要求
如今，FPGA是满足这些需求的理想器件，其高性能和灵活性非常适合满足当今先进PCM快速变化的测试需求[3]。 FPGA具有显着优势，例如并行处理、设计可扩展性、超快的引脚到引脚的响应时间、设计可移植性和终身可升级性。所有这些优势都有助于构建强大的自适应测试系统。但是，FPGA编程通常只有非常专业的工程师才懂，但这类工程师非常稀缺。高级别抽象的FPGA编程软件的出现以及易于访问的现成FPGA库极大地提高了部署基于FPGA的测试系统的可行性。
内燃动力系统
从本质上说，内燃机ECU的作用是让发动机转动。为此，ECU通过精心设计的编码器轮提供的传感器反馈来监测发动机的位置，如图4所示的曲轴轮，并激活喷油器和火花塞来产生电能。
图4. 现在的曲轴轮采用复杂的pattern，如图中所示的pattern非常独特且不断变化。
内燃机ECU HIL测试仪的用途除了测量踏板等用户输入之外，还用于测量和生成这些燃烧信号。 表1显示了典型的发动机ECU信号。
表1. 在开发测试仪时应考虑这些常见的发动机ECU信号。
图5显示了一个典型发动机ECU测试仪的框图（不包含负载和开关）。 测试仪包含了在CPU上运行的实时OS，用于执行低中速（1 kHz-10 kHz）建模。 CPU与模拟、数字和总线通信等独立I/O结合，可让低中速信号随着模型的执行进行同步更新。不管对于哪类ECU测试系统，这些都是核心组件，但为了满足内燃机ECU测试的特定要求，还需要增加一个用于实例化角度处理单元（angle processing unit，APU）的FPGA协处理器。
图5. 典型的发动机ECU测试仪框图包含了在FPGA上进行实例化的APU协处理器。
APU用于执行高速、高保真的发动机转动仿真。转动仿真是一个接受速度输入值的过程，随着时间的推移，0到360度连续发布转动位置的仿真值。由于ECU编程为相对于其转动位置控制发动机，因此验证ECU时，需要在测试仪中模拟转动位置并进行与转动位置相关的测量。
图6. 模拟可变磁阻传感器输出的旋转信号。
图7. 发动机ECU HIL闭环数据流
对于内燃动力系统，设计ECU HIL系统时，另一个重要考虑因素是燃油喷射器驱动的测量。实现这一目标的最佳方法之一是将真实执行器纳入测试系统，就像将它们置于真实车辆中一样。 ECU经过电流测量信号调理卡连接到喷油器，并为测试系统的FPGA提供电流测量值。这可允许FPGA测量流经喷油器的电流，以确定何时开启和关闭电磁阀（图8）。
图8. 柴油燃料喷射器的电流和电压曲线表明必须测量电流才能精确地捕获正确的时机
对于汽油喷射器，一个更简单的替代方案是直接测量ECU的数字输出，以检测喷射器何时 被命令打开和关闭。但是，测量通过实际喷射器的电流可得到更准确的结果，因为 打开电磁阀需要一定量的激活电流。此外，如果实际负载没有连接到喷射器输出，大多数ECU会出现诊断故障。
在动力总成控制模块（PCM）上执行hil测试对系统提出了新的要求。由于其高度专业化特性，PCM除了依赖通用微控制器外，还依赖于专用协处理器。例如，内燃发动机PCM必须处理特定的高速发动机信号，例如转动位置、爆震、气缸压力和精确执行器控制[2]。 PCM测试需处理这些独特的I/O和协处理器。因此，PCM测试系统，如待测组件，使用相应复杂的测试系统来测专用协处理器来提供足够的I/O复杂性。此外，尽管公司会不断发布新的PCM硬件和软件，但测试系统通常需要具有多年使用寿命。高度灵活性便成为测试系统的一个最基本要求
如今，FPGA是满足这些需求的理想器件，其高性能和灵活性非常适合满足当今先进PCM快速变化的测试需求[3]。 FPGA具有显着优势，例如并行处理、设计可扩展性、超快的引脚到引脚的响应时间、设计可移植性和终身可升级性。所有这些优势都有助于构建强大的自适应测试系统。但是，FPGA编程通常只有非常专业的工程师才懂，但这类工程师非常稀缺。高级别抽象的FPGA编程软件的出现以及易于访问的现成FPGA库极大地提高了部署基于FPGA的测试系统的可行性。
内燃动力系统
从本质上说，内燃机ECU的作用是让发动机转动。为此，ECU通过精心设计的编码器轮提供的传感器反馈来监测发动机的位置，如图4所示的曲轴轮，并激活喷油器和火花塞来产生电能。
图4. 现在的曲轴轮采用复杂的pattern，如图中所示的pattern非常独特且不断变化。
内燃机ECU HIL测试仪的用途除了测量踏板等用户输入之外，还用于测量和生成这些燃烧信号。 表1显示了典型的发动机ECU信号。
表1. 在开发测试仪时应考虑这些常见的发动机ECU信号。
图5显示了一个典型发动机ECU测试仪的框图（不包含负载和开关）。 测试仪包含了在CPU上运行的实时OS，用于执行低中速（1 kHz-10 kHz）建模。 CPU与模拟、数字和总线通信等独立I/O结合，可让低中速信号随着模型的执行进行同步更新。不管对于哪类ECU测试系统，这些都是核心组件，但为了满足内燃机ECU测试的特定要求，还需要增加一个用于实例化角度处理单元（angle processing unit，APU）的FPGA协处理器。
图5. 典型的发动机ECU测试仪框图包含了在FPGA上进行实例化的APU协处理器。
APU用于执行高速、高保真的发动机转动仿真。转动仿真是一个接受速度输入值的过程，随着时间的推移，0到360度连续发布转动位置的仿真值。由于ECU编程为相对于其转动位置控制发动机，因此验证ECU时，需要在测试仪中模拟转动位置并进行与转动位置相关的测量。
图6. 模拟可变磁阻传感器输出的旋转信号。
将转动仿真任务从CPU上剥离出来有许多好处。首先，使用专用硬件，APU可以高速运行，不受高级实时操作系统任务（如线程调度程序）的干扰。为了在10,000 rpm下实现0.1度 的分辨率下，转动仿真必须至少以600,000 Hz的频率运行，这在通用CPU上是不可能实现的。
其次，APU和CPU可以异步运行。这可允许CPU以固定的时间步进间隔运行物理对象模型，有助于提高许多对象建模和实时OS工具链的工作效率，同时获得来自APU协处理器的基于角度的信息。
最后，通过将APU放置在靠近I/O引脚的位置，可以在转动仿真和相关数据之间建立低延迟连接，以关联到仿真的位置值。事件发生的时间及其与位置相关的时间之间的延迟会直接导致测量误差。为了避免这一误差，可以将APU放在与I/O相同的FPGA芯片。
前面讨论的ECU信号、FPGA上的APU协处理器以及发动机物理模型相结合，就构成了一个闭环发动机ECU HIL测试仪。图7显示了该系统基于实际执行器负载的数据流。
图7. 发动机ECU HIL闭环数据流
对于内燃动力系统，设计ECU HIL系统时，另一个重要考虑因素是燃油喷射器驱动的测量。实现这一目标的最佳方法之一是将真实执行器纳入测试系统，就像将它们置于真实车辆中一样。 ECU经过电流测量信号调理卡连接到喷油器，并为测试系统的FPGA提供电流测量值。这可允许FPGA测量流经喷油器的电流，以确定何时开启和关闭电磁阀（图8）。
图8. 柴油燃料喷射器的电流和电压曲线表明必须测量电流才能精确地捕获正确的时机
对于汽油喷射器，一个更简单的替代方案是直接测量ECU的数字输出，以检测喷射器何时 被命令打开和关闭。但是，测量通过实际喷射器的电流可得到更准确的结果，因为 打开电磁阀需要一定量的激活电流。此外，如果实际负载没有连接到喷射器输出，大多数ECU会出现诊断故障。
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