硬件在环（HIL）测试系统的架构

关键词：硬件在环测试系统,嵌入式控制系统,HIL

时间：2016-08-26 09:34:53来源：中电网

HIL仿真是一种功能强大的测试方法，可以用于更加有效的测试嵌入式控制系统。当测试嵌入式控制系统时，从安全性，可行性和合理的成本上考虑，使用全系统进行所有必要的测试是不现实的。您可以使用HIL仿真来模拟部分系统以面对这些挑战，在将整个系统进行实际测试之前使您能够在虚拟环境下测试嵌入式控制器件。有了这个功能，即使您要测试的系统变得更加复杂，您也可以以一种具有成本效益的方式维持可靠性和市场投放。要更多地了解HIL测试如何改善控制系统验证，请观看什么是HIL测试网上视频. 本教程讨论了各种HIL测试系统架构和如何去实现它们。

1.HIL测试系统的组成
HIL测试系统由三个主要部分组成：一个实时处理器、I/O接口和一个操作界面。实时处理器是HIL测试系统的核心。它提供大多数HIL测试系统的确定执行，例如硬件I/O通信、数据记录、激励生成和模型执行。要精确地仿真测试系统中物理上并不存在的部分，一个实时系统是非常必要的。I/O接口是与被测部件交互的模拟，数字和总线信号。您可以用它们来产生激励信号，获取用于记录和分析的数据，并提供被测的电子控制单元 (ECU)与模型仿真的虚拟环境之间的传感器/执行器交互。操作界面与实时处理器通信，提供测试命令和可视化。在大多数情况下，这个部件也提供配置管理、测试自动化、分析和报告任务。

图1. 一个HIL测试系统由三个主要部分组成：一个操作界面，一个实时处理器和I/O接口。

2. 硬件故障插入
许多HIL测试系统使用硬件故障插入在ECU和其余要测试的系统之间产生信号故障，来测试，描述和验证在这些情况下的器件性能。要做到这一点，您可以在I/O接口和ECU之间插入故障插入单元(FIUs)，从而允许HIL测试系统在正常运行和诸如对地短路或开路之类的故障状态之间切换接口信号。

图3. 汽车，飞机和风力发电站使用多ECU

当测试一个多ECU控制系统时（甚至一些单ECU控制系统），经常出现两个需求：附加处理能力和简化连线。

4. 额外的处理能力-分布式处理
即使采用最新的多核处理能力，一些系统仍要求更多的，超过单底板的处理能力。为应对这种挑战，您可以使用分布式处理技术来满足这些系统的执行要求。在高通道数的系统中，其需求超出了简单的增加处理能力，额外的I/O也是必不可少的。相比之下，采用大规模，耗费处理器设计的系统经常使用附加的底板，仅仅是为了提供额外的处理能力，从而允许那些处理器能以很高的效率应用于单个任务。根据仿真任务的分布情况，可能需要在底板之间共享触发和定时信号，并提供确定的数据镜像来提高协同运作的能力。

图4.当为得到附加处理能力采用多重底板时，在它们之间提供时间和数据同步接口是很有必要的。

5. 简化连线-分布式I/O
实现和维护高通道数系统的连线会面对昂贵和费时的挑战。这些系统需要在ECU和HIL测试系统之间连接成百上千个信号，经常为补偿空间要求跨越很多米。

幸运的是，确定分布I/O技术能帮助您理顺这些复杂的连线并提供与ECU的模块化连接，同时允许高效系统配置的修改。无需将所有的连接排布在单个机架里的一个或多个具有I/O接口的实时处理底板上，您可以使用确定分布I/O来提供模块化的I/O接口，这些接口位于靠近各个ECU的位置，从而不会牺牲精确仿真系统虚拟部分所必须的高速确定性需求。

这种方法极大的减少了HIL测试系统连线的花费和复杂程度，它使ECU和I/O接口之间的局部连接（跨度小于1米）成为可能，同时，使用一个单独的总线电缆来扩展到实时处理底板的距离。此外，由于这种方法的模块化特性，HIL测试系统能够毫不费力地逐步扩展，从除一个以外其它都是仿真ECU的系统到完全没有仿真ECU的完整HIL系统。

图5. 由于ECU和I/O接口采用局部连接，确定分布I/O接口极大的降低了HIL测试系统的连线花费和复杂性

6. 实现HIL测试系统
一旦您为您的HIL测试系统选择了适当的构架，创建一个HIL测试系统的第一步是选择最能满足您新要求的实时处理元件。NI公司为执行HIL测试系统提供了广泛的实时处理选择。因为它们都基于开放的工业标准，所以它们能确保您总能将最新的PC技术进展用在您的HIL测试系统中，从而始终满足未来测试系统的要求。

PXI是一款基于PC的测试，测量和控制的开放平台。它提供广泛的实时处理器选择，包括数个高性能的双核和四核处理器。有超过70个供应商提供1200多种PXI产品，在世界范围内有数千公司选择了PXI平台。

PXI平台能在很多同步技术下工作，包括通过IRIG-B, IEEE 1588, SCRAMNet以及反射内存来在多机箱HIL测试系统中用于共享定时，触发和数据。

NI公司也提供了数个用于低成本，小体积的HIL测试系统供选择。NICompactRIO是一种低成本的可重配置的控制和采集系统。系统采用由可重配置I/O(RIO)现场可编程门阵列(FPGA)技术组成一个小型的开放式嵌入式架构。

这种技术将实时处理器和用户可编程FPGA结合起来。您可以使用FPGA创建自定义的I/O特性并且可以把模型执行和信号处理运算从实时处理器下放到FPGA上来提高HIL测试系统的性能。

7. 总结
在决定和选择能满足您的HIL测试系统需求的，适当的实时处理部件之后，您需要为您的ECU选择所需的I/O接口。请阅读选择硬件在环(HIL)测试系统 I/O接口以更多的了解可用于您的HIL测试系统的I/O接口。