倪計(jì)民 李曉錦 石秀勇

（同濟(jì)大學(xué)）

基于NI PXI平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL系統(tǒng)上位機(jī)程序開發(fā)

倪計(jì)民 李曉錦 石秀勇

（同濟(jì)大學(xué)）

基于NI PXI實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)，利用實(shí)時(shí)配置軟件Veristand搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL系統(tǒng)的上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ECU控制算法驗(yàn)證、參數(shù)標(biāo)定和電氣故障測(cè)試等功能。利用LabVIEW FPGA模塊開發(fā)的自定義設(shè)備程序，既可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的組織和管理，又可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)、采集ECU的噴油點(diǎn)火PWM信號(hào)；利用ECU測(cè)量與標(biāo)定工具包中的自定義設(shè)備XCP and CCP Master，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ECU測(cè)量參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)的讀寫，進(jìn)而進(jìn)行初步標(biāo)定；利用基于PXI 2510開關(guān)板卡的自定義設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了ECU電氣故障的測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該上位機(jī)程序能夠滿足硬件在環(huán)仿真測(cè)試的實(shí)時(shí)性要求。

1 前言

汽車控制器的開發(fā)普遍采用基于V型的現(xiàn)代設(shè)計(jì)開發(fā)流程，包括建模及離線仿真、快速原型開發(fā)、目標(biāo)代碼生成、硬件在環(huán)（HIL）仿真測(cè)試、實(shí)車試驗(yàn)與標(biāo)定等5個(gè)環(huán)節(jié)。其中，硬件在環(huán)仿真測(cè)試是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)ECU的控制算法驗(yàn)證和電氣故障測(cè)試，可大大縮短ECU開發(fā)周期并降低成本[1]。

NI PXI平臺(tái)在硬件在環(huán)測(cè)試方面具有軟硬件系統(tǒng)集成一體化的優(yōu)勢(shì)。首先，裝載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如ETS）的PXI實(shí)時(shí)控制器可保證仿真模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行；其次，豐富的模擬和數(shù)字I/O板卡、汽車總線接口卡（CAN、LIN、FlexRay）以及基于PFGA技術(shù)的可重配置I/O板卡能夠滿足汽車絕大多數(shù)信號(hào)的接口需求；同時(shí)，作為專門為硬件在環(huán)測(cè)試任務(wù)開發(fā)的實(shí)時(shí)配置軟件Veristand，支持從LabVIEW軟件和第三方環(huán)境中導(dǎo)入控制算法、仿真模型，可以實(shí)現(xiàn)快速配置實(shí)時(shí)I/O、激勵(lì)文件、數(shù)據(jù)記錄等任務(wù)。

本文基于NI PXI硬件搭建了ECU HIL測(cè)試平臺(tái)，利用Veristand軟件設(shè)計(jì)了該平臺(tái)的上位機(jī)程序，并對(duì)程序進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL平臺(tái)

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL平臺(tái)的主要作用是對(duì)ECU進(jìn)行以下測(cè)試：將ECU控制的汽油機(jī)瞬態(tài)模型下載到PXI實(shí)時(shí)控制器中，完成ECU控制算法的驗(yàn)證；在V型開發(fā)流程的硬件在環(huán)仿真階段對(duì)一系列參數(shù)進(jìn)行初步標(biāo)定，以減少后期試驗(yàn)臺(tái)架的標(biāo)定工作；利用故障注入模塊模擬一系列的電氣故障,按照相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ECU進(jìn)行全面的故障測(cè)試。

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)主要包括ECU、NI PXI平臺(tái)、PC上位機(jī)等3部分，如圖1所示。計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與PXI控制器進(jìn)行通信，ECU通過線束與PXI模擬數(shù)字板卡以及CAN接口卡連接。

2.1 ECU及發(fā)動(dòng)機(jī)模型

ECU選用某公司生產(chǎn)的112針產(chǎn)品，ECU控制的發(fā)動(dòng)機(jī)為enDYNA軟件開發(fā)的6缸汽油機(jī)瞬態(tài)模型，能夠根據(jù)采集的油門、制動(dòng)、擋位等信號(hào)按照相應(yīng)的控制算法控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火，并對(duì)電子節(jié)氣門進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

2.2 NI PXI平臺(tái)

NI PXI平臺(tái)的硬件在環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中，NI PXI-8110控制器采用2.26GHz四核處理器，內(nèi)搭載ETS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠保證模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行；利用PXI7833R多功能RIO模塊提供的可編程FPGA芯片和LabVIEW軟件中的FPGA模塊可配置實(shí)時(shí)性要求較高的信號(hào)，如發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油和點(diǎn)火PWM信號(hào)、電子節(jié)氣門反饋控制模擬信號(hào)等；NI9151擴(kuò)展機(jī)箱中的I/O模塊用來調(diào)理7833R板卡信號(hào)，如增大通道驅(qū)動(dòng)電流、提升通道電壓等，以便直接與ECU進(jìn)行電氣連接；PXI6704為模擬輸出卡，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)模型中模擬信號(hào)的輸出，如進(jìn)氣歧管壓力、進(jìn)氣歧管溫度、油門踏板位置等；開關(guān)卡PXI 2510為ECU提供一系列人為制定的電氣故障，以便測(cè)試ECU的電氣可靠性；PXI 8513雙端口CAN接口卡適用于NI-XNET驅(qū)動(dòng)，一方面可直接導(dǎo)入CAN數(shù)據(jù)庫或自定義CAN信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)ECU與上位機(jī)的通信，另一方面也可以搭載ECU標(biāo)定信息，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)中對(duì)ECU進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 PC上位機(jī)

PC上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

a.硬件在環(huán)測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、預(yù)警報(bào)警及測(cè)試激勵(lì)；

b.采集和改寫ECU的測(cè)量參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)，對(duì)ECU進(jìn)行初步的標(biāo)定；

c.在故障注入模塊中按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)配置一系列的電氣故障，測(cè)試ECU的可靠性。

上位機(jī)測(cè)試環(huán)境利用Veristand軟件進(jìn)行配置。Veristand是一個(gè)基于配置的實(shí)時(shí)測(cè)試軟件，內(nèi)部引擎是控制整個(gè)系統(tǒng)、執(zhí)行主機(jī)和用戶界面之間通信定時(shí)的執(zhí)行核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行模型運(yùn)行、硬件I/O和系統(tǒng)定義文件（System Definition File）中指定的其它測(cè)試任務(wù)。系統(tǒng)定義文件包含了執(zhí)行Veristand引擎任務(wù)的設(shè)置選項(xiàng)，如目標(biāo)機(jī)配置、硬件I/O配置、模型導(dǎo)入、接口映射、自定義設(shè)備導(dǎo)入等，文件部署后運(yùn)行在PXI控制器中；上位機(jī)監(jiān)視界面為工作區(qū)（Workspace），運(yùn)行時(shí)可編輯操作，其部署后運(yùn)行在PC上位機(jī)中。

3 上位機(jī)程序開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的3種功能，采用在Veristand軟件中開發(fā)自定義設(shè)備（Custom Device）的方式，將特定的功能添加至Veristand引擎。由于創(chuàng)建自定義設(shè)備的LabVIEW模板庫中包含針對(duì)Veristand數(shù)據(jù)和定時(shí)資源的接口，使得自定義設(shè)備能夠像Veristand引擎中的本地任務(wù)一樣運(yùn)行[2]。

本文利用LabVIEW軟件及FPGA模塊設(shè)計(jì)了一套ECU自定義設(shè)備程序，能夠精確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)，并實(shí)時(shí)采集ECU噴油、點(diǎn)火信號(hào)。另外，利用NI公司已經(jīng)提供的XCP and CCP Master和NI FIU自定義設(shè)備進(jìn)行ECU標(biāo)定和電氣故障測(cè)試。

3.1 ECU自定義設(shè)備

ECU自定義設(shè)備程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括：

a.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型功能需求，將PXI 7833R以及cDAQ擴(kuò)展機(jī)箱的輸入、輸出接口信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一封裝管理，便于參數(shù)配置及后期維護(hù)；

b.利用FPGA模塊模擬發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸時(shí)序信號(hào)，采集噴油、點(diǎn)火PWM信號(hào)，并對(duì)電子節(jié)氣門進(jìn)行反饋控制。

自定義設(shè)備的程序開發(fā)框架如圖3所示。利用labview軟件自帶的Custom Device Template Tool生成一個(gè)項(xiàng)目工程，包括Custom Device API library、Custom Device library、XML文件、Build Specifications等4部分。Custom Device API library包含了與veristand的數(shù)據(jù)和定時(shí)資源相聯(lián)系的API函數(shù)；Custom Device library包含自定義設(shè)備configuration and RT Engine VIs；XML文件包含引導(dǎo)Veristand下載、調(diào)用和發(fā)布自定義設(shè)備的定義；Build Specifications為自定義設(shè)備編譯發(fā)布的source distributions，開發(fā)完成后發(fā)布為L(zhǎng)LB庫文件的格式，圖3中無陰影部分文件為最終自定義設(shè)備打包的內(nèi)容。

生成自定義設(shè)備程序框架后，對(duì)Custom Device library中的VI進(jìn)行配置，自定義設(shè)備庫函數(shù)主要包括配置VI程序、RT Driver VI子程序和FPGA VI子程序等3部分。

3.1.1 配置VI程序

利用Veristand API函數(shù)（Initialization VI和Page VI等）對(duì)通道、屬性、層次關(guān)系和頁面進(jìn)行配置。通道用來在自定義設(shè)備和Veristand引擎之間交換數(shù)據(jù)；屬性用來在自定義設(shè)備內(nèi)部傳遞配置數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息；樹形層次結(jié)構(gòu)配置用來組織和管理設(shè)備接口通道；頁面用來顯示參數(shù)配置的界面。

3.1.2 RT Driver VI子程序

RT Driver VI實(shí)現(xiàn)的功能為：

a.程序框架是單循環(huán)結(jié)構(gòu)，采用RT FIFO實(shí)現(xiàn)自定義設(shè)備與上位機(jī)的通信，采用異步的執(zhí)行方式，見圖4。

b.配置發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸傳感器齒輪參數(shù)和凸輪軸傳感器齒輪參數(shù)，曲軸信號(hào)齒輪是60-2齒，凸輪軸信號(hào)齒輪為4齒。同時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換以FPGA芯片中40M時(shí)鐘滴答計(jì)算的曲軸轉(zhuǎn)角值degree per tick，見圖5。

3.1.3 FPGA VI子程序

FPGA VI實(shí)現(xiàn)的功能為：

a.發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)是控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火的基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)循環(huán)的噴油持續(xù)時(shí)間為幾毫秒，所以對(duì)仿真精度要求較高。利用LabVIEW FPGA模塊仿真發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)能夠滿足精度要求，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角的精度能夠達(dá)到0.000 15°。

AES（Automotive Engine Simulation）庫函數(shù)為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)HIL仿真提供了一系列的FPGA IP核，利用函數(shù)中的Crank Angle and Outout.vi來模擬曲軸傳感器信號(hào)，并配置曲軸齒輪的齒數(shù)、缺齒數(shù)及缺齒偏移量等參數(shù)；利用Cam Angle and Output.vi來模擬凸輪軸傳感器信號(hào)，并配置凸輪軸齒輪的齒數(shù)、齒寬[3～6]，這2個(gè)VI在FPGA中并行執(zhí)行，共同構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)，如圖6所示。

利用示波器對(duì)仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，配置參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8。其中，周期短的脈沖為曲軸傳感器信號(hào)，周期長(zhǎng)的脈沖為凸輪軸傳感器信號(hào)。結(jié)果表明，2個(gè)信號(hào)能夠按照設(shè)置的相位關(guān)系產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)。

b.定時(shí)循環(huán)負(fù)責(zé)采集ECU點(diǎn)火PWM信號(hào)，然后計(jì)算出PWM的起噴角Start Angle、停噴角End Angle、持續(xù)噴射角Angle Duration和持續(xù)噴射時(shí)間；定時(shí)循環(huán)采集ECU的PWM噴油控制信號(hào)，然后計(jì)算出PWM的脈寬時(shí)長(zhǎng)。圖9為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火PWM采集程序。

所有的VI配置完成后，將FPGA VI編譯成LabVIEW可識(shí)別的Bitfile文件，供RT Driver VI調(diào)用。最后，將自定義設(shè)備的項(xiàng)目程序打包為L(zhǎng)LB庫文件，以便后續(xù)在veristand軟件中調(diào)用。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定

利用NI公司提供的ECU測(cè)量與標(biāo)定工具包對(duì)ECU進(jìn)行初步標(biāo)定。該工具包基于通用測(cè)量校準(zhǔn)協(xié)議(XCP)和CAN校準(zhǔn)協(xié)議(CCP)，能根據(jù)ASAM(.A2l)數(shù)據(jù)庫文件中的定義，對(duì)內(nèi)部ECU觀測(cè)變量和標(biāo)定變量進(jìn)行讀寫。工具包中包含了供上位機(jī)Veristand軟件調(diào)用的自定義設(shè)備XCP and CCP Master，上位機(jī)作為主設(shè)備與從設(shè)備ECU進(jìn)行通信。

利用PXI 8513（雙接口CAN卡）實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與ECU的通信。標(biāo)定ECU時(shí)，將2種用途的CAN數(shù)據(jù)幀區(qū)分到2個(gè)CAN接口，一種用于ECU和上位機(jī)的信息交流，另一種用于搭載標(biāo)定信息。該試驗(yàn)采用CCP高速主從協(xié)議，利用“CTO”（命令傳輸對(duì)象）和“DRO”(數(shù)據(jù)采集對(duì)象)來區(qū)分主、從通信，CTO用于向從設(shè)備傳輸命令，DRO用于從從設(shè)備獲取連續(xù)數(shù)據(jù)。

在上位機(jī)中，將XCP and CCP Master自定義設(shè)備添加至veristand軟件系統(tǒng)定義文件中，選取標(biāo)定的數(shù)值型變量、一維變量、二維變量和需要觀測(cè)的測(cè)量參數(shù)[7]用于定制標(biāo)定界面。主設(shè)備采用基于CAN總線的標(biāo)定協(xié)議CCP，并指定描述ECU結(jié)構(gòu)和通信參數(shù)的A2L文件，選擇CAN 2端口搭載標(biāo)定信息[7]。在工作區(qū)中，定制需要標(biāo)定和測(cè)量的參數(shù)并與相應(yīng)的控件連接。標(biāo)定時(shí)，根據(jù)測(cè)量變量在線調(diào)節(jié)標(biāo)定參數(shù)并選取最優(yōu)值，圖10為一維標(biāo)定參數(shù)的標(biāo)定。

3.3 ECU電氣故障測(cè)試

為測(cè)試ECU的電氣性能可靠性，在NI PXI平臺(tái)與待測(cè)ECU之間插入故障注入單元FIU（Fault Insertion Units），通過實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)板卡的內(nèi)部繼電器開關(guān)來模擬故障，主要包括仿真開路、管腳間短路(pin-to-pin)、對(duì)電池短路、對(duì)地短路故障，如圖11所示。繼電器開發(fā)最大可支持2A的運(yùn)載和切換電流。

利用基于PXI-2510開關(guān)板卡開發(fā)的自定義設(shè)備NI FIU來為ECU模擬故障。PXI-2510開關(guān)板卡的68路通道配有2條故障總線（busA和busB），每條故障總線有4個(gè)可選輸入端。在Veristand軟件中，通過選擇故障通道（Fault Channel）和故障總線（Fault Bus）的狀態(tài)來配置繼電器開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)故障的自定義輸入。圖12定義了一個(gè)Channel 66和Channel 67之間短路的故障，以此類推，可以根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試要求，配置多組自定義故障[8]。

上述故障為手動(dòng)配置，也可以利用Veristand軟件自帶的激勵(lì)文件或第三方測(cè)試軟件（如Teststand）實(shí)現(xiàn)多組故障的連續(xù)測(cè)試。

4 試驗(yàn)測(cè)試

以某發(fā)動(dòng)機(jī)為例，測(cè)試上位機(jī)程序是否能夠滿足硬件在環(huán)測(cè)試要求。在Veristand上位機(jī)程序中，將油門和制動(dòng)都設(shè)置為0，擋位處于“P”狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min，車速為0，見圖13；各缸噴油、缸內(nèi)點(diǎn)火次序遵循“1-5-3-6-2-4”的順序，如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，ECU HIL平臺(tái)能夠按照上位機(jī)的操作對(duì)上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的反饋，功能設(shè)計(jì)正確。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)加速、減速工況，通過調(diào)節(jié)油門、制動(dòng)和擋位，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速隨油門踏板的開度實(shí)時(shí)變化，表明ECU控制算法能夠滿足硬件在環(huán)測(cè)試實(shí)時(shí)性的要求。

5 結(jié)束語

利用Veristand軟件為發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了ECU控制算法驗(yàn)證、參數(shù)初步標(biāo)定和電氣故障測(cè)試的功能。利用CCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)ECU測(cè)量參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)的讀寫，從而對(duì)ECU的關(guān)鍵性參數(shù)（如點(diǎn)火提前角、空燃比等）進(jìn)行初步標(biāo)定，為后期的試驗(yàn)標(biāo)定提供基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)。利用故障注入單元FIU，為待測(cè)模擬常見的電氣故障，既可以通過手動(dòng)配置實(shí)現(xiàn)單個(gè)測(cè)試，也可以通過程序測(cè)試序列實(shí)現(xiàn)連續(xù)性測(cè)試。以發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況為例，對(duì)ECU控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該上位機(jī)程序能夠滿足硬件在環(huán)測(cè)試實(shí)時(shí)性的要求。

1劉巨江，周文華，何正胤，等.基于模型的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開發(fā).汽車工程，2007（11）:938～941.

2NI VeriStand 2010 Custom Device Developer's Guide, National Instruments White Paper.http://www.ni.com/whitepaper/12712/en

3張永光，吳鋒，方正，等.發(fā)動(dòng)機(jī)HILS系統(tǒng)曲軸轉(zhuǎn)速與凸輪相位信號(hào)模擬.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011（7）:1221～1226.

4Chris Washington,Jordan Dolman.Creating Next Generation HIL Simulators with FPGA Technology.IEEE,2010.

5Automotive Engine Simulation(AES)Library for HIL, NationalInstrumentsWhitePaper.https://decibel.ni.com/ content/docs/DOC-5684.

6HIL Automotive Engine Simulation Reference Example.http: //zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6187.

7XCP and CCP Master Add-on for NI VeriStand.http://zone. ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6374.

8NI VeriStand Add-on-NI Fault Insertion Units.http://zone. ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6248.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年12月14日。

Design of Host Program for Engine ECU HIL System Based on NI PXI Platform

Ni Jimin,Li Xiaojin,Shi Xiuyong
（Tongji University）

Based on NI PXI real-time hardware platform,a host program for engine ECU HIL system is established with real-time software Veristand for ECU control algorithm validation,parameter calibration and electric fault test.A custom device program developed with labview FPGA module provides an effective way for organization and management of test data in the host computer,simulation of engine sequence signal and acquisition of the PWM signal of injection and ignition;the custom device XCP and CCP Master included in ECU and calibration toolkit can read and write ECU measurement parameter and calibration parameter and thus ECU could be preliminarily calibrated;with a custom device program based on the switch card-PXI 2510,ECU electric faults could be tested.Test results show that the host program can satisfy the real-time requirement of HIL simulation test.

Engine,ECU HIL system,Host pc,PXI platform,Program development

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL系統(tǒng)上位機(jī)PXI平臺(tái)程序開發(fā)

U464.12

：A

：1000-3703（2014）03-0054-05