发动机控制器硬件在回路（HIL）测试系统

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张 富丽 - 北京经纬恒润科技有限公司

一、HIL测试系统方案概述

1、HIL测试系统方案优势
随着科技日益创新，汽车技术的革新主要来自汽车电子技术的迅速发展，汽车电子电气系统相关产品和技术越来越多的应用到实际的量产车型中。同时，从市场反馈来看，汽车故障较多发生在电子电气系统相关器件（如图1.1所示），而解决这些故障的根本手段除了在设计阶段制定科学合理的电子电气系统设计方案外，必须对系统方案进行验证测试，因此对系统方案进行硬件在回路（HIL）测试成为系统方案验证阶段的必要工作。

HIL 测试系统方案的优势特点：
 可实现自动化测试、并生成测试报告，重复性强；
 集成动态模型，可进行闭环实时控制；
 可测量所有电气信号，包括总线信号：CAN和LIN总线；
 可分阶段进行系统测试，对未开发完毕的ECU进行总线仿真；
 减少测试时间，降低测试成本：
 可在多个平台中进行切换
 多个ECU不同组合的测试
 同一个ECU不同型号的测试
 可通过自动化测试，减少测试时间，降低人员投入
 具备丰富的测试功能：
 可测试单个控制器的控制功能
 可对整车网络进行测试
 可模拟车辆的复杂工况
 可模拟各种类型的电气故障
 测试功能易于扩展
 可方便连接测试工具：如标定和诊断工具等

2、EMS HIL测试系统原理
如下图1.2基于四缸高压共轨柴油机EMS HIL测试系统工作原理图所示，试验管理软件运行在PC机环境下，车辆仿真模型运行在HIL系统硬件实时控制器上，通过I/O模型直接控制I/O接口，I/O接口与信号调理、故障仿真板卡在硬件平台上集成，最终实现与EMS相连。I/O接口与信号调理硬件配合，能够仿真各种传感器和执行器，监测执行器工作状态并回传给车辆模型，同时也能够模拟各种硬件故障。从而，HIL测试系统与被测EMS组成一个虚拟的整车试验环境，通过自动测试工具控制整套系统实现各种工况的测试，生成测试报告。
EMS开发者可基于此平台分析、评估、优化EMS控制策略，并对优化后的EMS进行重新测试。

二、EMS HIL测试系统设计与实现
如下图2.1 EMS HIL测试系统结构图所示，EMS HIL测试系统是由车辆模型、HIL硬件、试验管理软件和EMS控制器四部分组成，以此搭建了一个完整的“虚拟车辆”测试环境。在此测试环境下，对EMS设计方案在其设计阶段进行验证，并且利用TestStand软件实现自动化测试。

搭建本测试系统需要完成以下四部分工作：硬件平台设计、模型设计、系统闭环测试和系统自动测试。下文将针对各部分工作进行详细介绍：

1、硬件平台设计
EMS HIL测试系统硬件仿真平台主要功能：提供车辆模型的实时运行环境，模拟EMS所需的各种传感器信号，采集并监测控制器和执行器信号，模拟CAN网络中的其它节点，对EMS和NI设备信号提供驱动、放大、滤波、保护、特殊信号的处理等功能。

如图2.2 HIL测试系统硬件平台示意图所示，硬件组成主要包括：PXI机箱和板卡、信号调理模块、故障注入板卡、内置的断线测试盒、真实负载箱、电源切换板和电流采集模块、车载电源模拟器、电源管理模块和机柜等。

1.1、NI PXI机箱和板卡
PXI机箱和板卡主要包括：PXI机箱、PXI嵌入式实时控制器、R系列FPGA板卡、FlexRIO系列FPGA板卡、DAQ板卡和CAN卡。

PXI机箱用于放置PXI嵌入式实时控制器和PXI板卡，其中PXI嵌入式实时控制器用于运行车辆放置模型和控制PXI板卡，而PXI板卡主要功能包括：数字I/O、模拟I/O、PWM I/O、输出电阻控制协议、模拟曲轴、凸轮轴等特殊传感器、采集喷油参数、收发CAN报文等。

PXI机箱、嵌入式实时控制器和板卡组成一个实时硬件系统，通过PXI板卡的I/O接口接收经过调理的EMS信号，并将信号传输给车辆模型，在车辆模型运算后再由PXI板卡的I/O输出各种传感器信号，信号经过调理和故障仿真后传输给EMS，从而形成一个闭环的实时系统。

1.2、信号调理模块

信号调理模块主要功能：
 通过适配板和信号调理载板，实现对PXI板卡硬件资源的分配，把资源按照信号类型进行分类；
 通过信号调理载板上的跳线选择、配置地线，对地线进行集中管理，方便接线抑制干扰；
 通过信号调理载板，配置需要调理的通道，在信号调理模块上对信号进行调理，实现信号驱动、放大、滤波、保护等功能；
 特殊信号处理，如，电流型轮速信号输出调理、电阻模拟等；

1.3、故障注入板
根据EMS的实际需求，对故障注入模块中的通道数量进行分配，每个通道可以模拟对电源短路、对地短路、开路故障状态、任意两管脚间短路等故障。
板卡由恒润科技开发的软件控制，该软件操作简单，支持自动化测试，通过RS232发送指令到板卡上的单片机（MCU），MCU根据指令控制继电器动作，执行相应的故障模式。

1.4、内置断线测试盒
断线测试盒主要功能：测量EMS和HIL设备之间的所有信号、手动制造EMS故障等。

1.5、真实负载箱
真实负载箱采用抽拉式结构，内置连接EMS的EDAC端子台和喷油器等客户所指定的真实负载。

1.6、电源切换板和电流采集模块
电源切换板：仿真EMS的上电过程。
电流采集板：将电流信号（例如高压共轨发动机喷油器的驱动信号）转换成电压信号便于NI板卡采集。

1.7、车载电源模拟器
车载电源模拟器与电源切换板结合使用，给EMS供电，并且可以根据EMS功率消耗选取相应的程控电源。此外，通过HIL 测试系统可以对其中程控电源的输出电压和输出电流的限值进行控制和监测。

1.8、电源管理模块
电源管理模块：主要实现对HIL硬件平台的电源进行控制、分配、保护等。

1.9、机柜
机柜：分层存放各类硬件模块。

2、模型设计
为了满足对EMS控制器的HIL测试需求，需要根据客户提供的车辆参数搭建车辆模型，并进行参数化，增加I/O模型、CAN报文集成等工作。因此，本方案模型开发的工作包括：搭建模型并对模型进行参数化、I/O模型设计、CAN报文的I/O模型设计。

2.1、车辆模型设计
本方案使用四缸高压共轨柴油机模型，包含以下子系统：
 气路模块：中冷器、气路模型、增压器
 油路模块：油轨、高压泵、压力控制阀、喷油器、油箱
 冷却模块：催化器
 排气系统
 气缸：扭矩输出、摩擦扭矩
 环境模块：驾驶员、测功机模型
 软件ECU：发动机ECU
该模型使用Matlab/Simulink进行开发，包含了详细的气路、油路和气缸等子系统模型，满足与发动机控制器的I/O接口要求。

2.2、I/O模型设计
模型I/O的主要功能：数字I/O、模拟I/O、PWM I/O、电阻控制协议、模拟曲轴、凸轮轴等特殊传感器、采集喷油参数等。

在EMS HIL测试系统中，需要对I/O模型（除模拟I/O外）进行重新开发，在开发过程中，需要先在NI FPGA上进行功能开发，在开环验证功能满足客户的需求后，将I/O模型添加到Matlab/Simulink模型中，最后通过NI VeriStand导入模型，并将FPGA与I/O模型关联。

I/O模型设计最为核心的内容是，基于NI FPGA进行功能开发。分为两部分内容：针对NI FlexRIO板卡的适配板卡的硬件开发，以及FPGA程序的开发。其中，硬件开发主要是针对NI FlexRIO板卡的IO接口扩展高速的A/D、D/A和数字I/O。FPGA程序主要实现的是特殊传感器模拟、喷油参数采集和其他I/O模型的功能。

如图2.3所示是基于NI FPGA的程序开发流程。由图可知，I/O模型的开发流程为：首先，在NI VeriStand FPGA Interface模板中编程，程序包含FPGA函数和vhdl程序代码等；其次，通过FPGA编译器编译此程序，生成二进制文件；再次，在文本编辑器中，编辑针对二进制文件的配置文件；再在NI VeriStand中添加RIO设备，调用二进制文件的配置文件；最后，通过运行VeriStand工程将程序下载到FPGA中。 

采用在NI VeriStand FPGA Interface中开发FPGA程序的开发方式，不仅能够实现程序的离线仿真，而且能够达到FPGA与车辆模型传递数据的目的。

上述模型开发模式不仅能够保证系统的灵活性和稳定性，借助开放的NI VeriStand架构也可以大幅降低时间成本和人力成本。

2.3、CAN报文I/O模型设计
基于EMS的CAN通讯协议（CAN的数据库dbc文件），对CAN通道进行相应的配置，正确发送EMS所需的CAN信号，监测EMS发出的CAN信号，并将CAN的发送和接收的信号引入模型。

3、系统闭环测试
在完成上述设计工作后，即可对HIL测试系统进行闭环调试，系统闭环测试的工作内容包括：VeriStand工程搭建和系统闭环调试。

VeriStand作为试验管理软件，是HIL系统闭环调试必不可少的工具。在搭建“虚拟车辆”测试环境的过程中，主要功能是：集成车辆模型、加载CAN通道、加载DAQ设备、加载FPGA设备、将I/O模型的接口与硬件通道关联、下载集成好的模型、监测I/O接口和CAN信息、监测EMS信号、实现模型的在线参数修改等。

Veristand灵活、开放且高兼容的架构，使得我们能以更高效的方式搭建复杂的系统测试环境，尤其适合对于实时性强、且自定义设计要求比较高的应用情况。

3.1、VeriStand工程搭建

VeriStand工程搭建内容：系统定义文件的配置、界面的搭建。其中，系统定义文件的配置主要包括：模型集成、DAQ集成、RIO集成、CAN集成、I/O模型与硬件和CAN通道关联。

为了更好的满足汽车HIL测试的实际需求，恒润科技对VeriStand界面中的控件进行了重新开发，增加汽车仪表、档位控制、点火钥匙等控件，并优化重组了其它控件。界面的搭建主要包含：EMS功能测试界面（如图2.4所示）、CAN和I/O监测界面。

3.2、系统闭环调试
在VeriStand工程搭建好之后，将PC机通过网线跟PXI嵌入式实时控制器连接，运行VeriStand工程即可将车辆仿真模型下载到PXI实时控制器中。此时，HIL硬件平台与EMS组成一个“虚拟车辆”的运行环境，通过VeriStand界面进行“虚拟车辆”的控制、车辆仿真模型的校准等工作，直到达到EMS动态控制模型的扭矩、转速、轨压等参数与台架上的实验数据近似（近似的程度根据客户需求而定）。

4、HIL测试系统自动化测试
自动化测试优点：更方便的实施重复性测试和回归测试；可以执行一些手工测试困难或不可能进行的测试；能够保证测试结果的一致性，并可反复多次测试；能够在一定程度上避免失误或误操作等。
在完成模型的闭环调试后，使用NI TestStand搭建自动测试用例。由于测试序列的自定义要求很高，一方面可以导入已有的测试用例，提高效率；同时又需根据不同工况和具体需求，加入各种新的自定义测试。为此，恒润科技借助TestStand的基础上专门开发了针对汽车行业HIL系统测试的自动化测试用例库。如图2.5恒润科技自动化测试用例库所示，TestBaseLib为自动测试基础库，EFILib为故障注入的自动测试包（该测试包只有系统中引入故障注入功能时才会使用）。

最后，在执行自定义的测试序列之后，NI TestStand会自动生成完整的测试报告。

三、方案总结
本系统是以NI的软件和硬件设备为基础，结合恒润科技开发的信号调理模块、故障注入模块和车辆仿真模型，搭建的一套针对四缸高压共轨柴油机EMS的HIL测试系统，它能够模拟EMS所需的各种传感器信号，采集EMS的控制信号，模拟CAN网络中的其它节点。具备以下技术优势：

 支持自动化测试、测试报告生成，测试用例可重复性强；
 集成了动态模型，可进行闭环实时控制；
 可测量EMS所有的电气信号；
 可分阶段进行系统测试，对未开发完毕的ECU进行总线仿真；
 能在不同ECU变型结构之间快速切换；
 减少测试时间、降低测试成本；
 具有丰富的测试功能。

NI硬件平台的稳定性以及VeriStand、TestStand软件系统的开放灵活性提高了HIL系统开发的效率，同时NI长期专业的技术支持也帮助汽车背景的工程师在开发HIL等复杂电子电气系统时游刃有余，只需专注于汽车领域技术，简化系统开发。
因此，基于NI平台的HIL测试系统解决方案不仅能够缩短EMS控制器的产品开发周期，而且更能够在设计阶段对EMS的功能进行全面的测试和验证，在汽车行业众多整车厂、零部件商的车型和产品研发过程中得到的广泛应用。

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