吳利廣，韓忠良，李 飛，景立新，王振峰

（1.天津大學(xué)，天津 300192；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

硬件在環(huán)（Hardware-in-the- Loop, HiL）作為一種先進(jìn)的仿真技術(shù)，改變了汽車控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)開發(fā)手段，HIL系統(tǒng)可將電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）及執(zhí)行器等硬件連接到系統(tǒng)回路中，對(duì)控制系統(tǒng)的控制策略、控制功能及系統(tǒng)可靠性等進(jìn)行測試評(píng)估，在實(shí)驗(yàn)室條件下發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而提高控制系統(tǒng)的開發(fā)效率[1-4]。

現(xiàn)在HiL平臺(tái)廣泛應(yīng)用于汽車電控系統(tǒng)開發(fā)的各個(gè)方面[5-7]。但是現(xiàn)有平臺(tái)集成度低，只適用于特定的仿真環(huán)境，通用性不強(qiáng)且操作復(fù)雜。本文綜合成本、開發(fā)難度和擴(kuò)展性等因素，選擇基于NI-PXI的開發(fā)方案，設(shè)計(jì)一款通用性好、操作容易的汽車電控單元硬件在環(huán)測試平臺(tái)，用于汽車電控單元測試。

1 基于NI-PXI平臺(tái)的硬件在環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 HiL系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)一款具備通用性的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，綜合分析當(dāng)前汽車控制器（如車身控制模塊、黏性耦合差速器、無鑰匙系統(tǒng)等）的信號(hào)種類和引腳數(shù)量，根據(jù)最大覆蓋度的原則，選擇NI-PXI板卡資源；根據(jù)模型仿真復(fù)雜程度，確定實(shí)時(shí)仿真控制器性能；根據(jù)常用測試功能需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助測試模塊。

所選用的NI-PXI系統(tǒng)組成為NI PXIe-1078機(jī)箱、PXIe-8840 RT實(shí)時(shí)控制器、NI PXI-6528 DIO板卡、NI PXIe-6738 AO板卡、NI PXI-6220 AI板卡、NI PXI-8512/2 CAN板卡、LIN板卡。為了滿足故障注入和常規(guī)負(fù)載模擬的功能需求，設(shè)計(jì)故障注入模塊和負(fù)載模擬模塊（大功率電阻）。然后將所有硬件設(shè)備集成到38U標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)柜中，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備集成管理?；贜I-PXI平臺(tái)的HiL系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 HiL系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

為提高HiL系統(tǒng)使用便捷性和規(guī)范性，系統(tǒng) 的各個(gè)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)接插件進(jìn)行連接。如圖1所示，程控電源為控制器或其他用電設(shè)備供電，程控電源通過RS232接口與上位機(jī)連接，通過上位機(jī)界面對(duì)電源電壓、電流進(jìn)行設(shè)置。負(fù)載模擬用于模擬控制器連接的負(fù)載，如電磁閥、氣泵等設(shè)備，根據(jù)實(shí)際情況也可以接入真實(shí)負(fù)載，通過485總線與上位機(jī)連接，可以在上位機(jī)界面中控制負(fù)載的通斷與負(fù)載大小。故障注入是對(duì)控制器進(jìn)行故障診斷測試不可或缺的環(huán)節(jié)，故障注入模塊通過CAN總線進(jìn)行控制，由上位機(jī)根據(jù)通信協(xié)議控制CAN板卡發(fā)送報(bào)文，進(jìn)而控制故障注入板卡通道的故障注入類型。NI-PXI系統(tǒng)是HiL系統(tǒng)的核心模塊，包括實(shí)時(shí)控制器板卡和其他通信板卡，這些板卡通過PXI總線與PXI機(jī)箱互連，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)通信，PXI系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)連接，由上位機(jī)對(duì)PXI系統(tǒng)的各類通道進(jìn)行配置和管理。然后HiL系統(tǒng)通過EDAC-120接口與控制器連接，接口規(guī)范，使用方便。

1.2 自定義故障注入模塊設(shè)計(jì)說明

故障注入模塊應(yīng)用于控制器故障診斷功能測試環(huán)節(jié)，NI公司的PXI 8010板卡和Pickering公司的故障注入板卡是在進(jìn)行故障注入設(shè)計(jì)時(shí)的常用設(shè)備，但是它們只能依賴于PXI或Pickering機(jī)箱，使用范圍和場合受到限制，而且價(jià)格較為昂貴。為了降低成本提高模塊適應(yīng)性，設(shè)計(jì)基于CAN總線的故障注入模塊，如圖2所示，其通過DB頭連接，能夠在CAN通信條件下單獨(dú)工作而無需依賴其他機(jī)箱，使用方便且價(jià)格便宜。

圖2 基于CAN總線的故障注入模塊

1.3 HiL系統(tǒng)管理方案

NI-PXI平臺(tái)可以通過多種軟件進(jìn)行管理，如LabWindowsTM/CVI、Visual C/C++等。為發(fā)揮其優(yōu)勢，降低軟件開發(fā)難度，提高系統(tǒng)開發(fā)效率和穩(wěn)定性，選用NI軟件管理。具體采用LabVIEW和VeriStand作為軟件平臺(tái)，另外使用TestStand運(yùn)行測試用例生成測試報(bào)告。系統(tǒng)管理方案如圖3所示。

圖3 HiL系統(tǒng)管理方案圖

完成HiL系統(tǒng)搭建后，系統(tǒng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 HiL系統(tǒng)測試狀態(tài)圖

2 系統(tǒng)監(jiān)控管理軟件設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的可操作性和功能完備性，需要通過統(tǒng)一的監(jiān)控管理界面對(duì)系統(tǒng)各種設(shè)備進(jìn)行控制和管理，以降低系統(tǒng)使用難度，提高可操作性。

根據(jù)HiL系統(tǒng)在汽車電控單元測試中經(jīng)常要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)上位機(jī)監(jiān)控管理軟件提出以下幾點(diǎn)要求：

（1）具有友好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控模型運(yùn)行狀態(tài)，并能夠?qū)δＰ蛥?shù)進(jìn)行修改。

（2）能夠回放歷史數(shù)據(jù)，即能夠?qū)xcel、txt等文件中的數(shù)據(jù)信息通過該HiL系統(tǒng)進(jìn)行回放，傳遞給系統(tǒng)的I/O及CAN/LIN通道，該功能意義在于將實(shí)車路試采集的數(shù)據(jù)在HiL系統(tǒng)中回放從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制邏輯的測試，該方法無需搭建模型。

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)控制，即能夠在上位機(jī)監(jiān)控界面中手動(dòng)改變輸出通道的輸出值，這樣可以對(duì)控制器的某些控制邏輯進(jìn)行簡單快速的測試，而無需設(shè)計(jì)測試用例進(jìn)行長時(shí)間準(zhǔn)備。

（4）能夠在上位機(jī)中控制程控電源的開始/停止并能夠?qū)ζ潆妷骸㈦娏鬟M(jìn)行設(shè)置。

（5）能夠?qū)收献⑷胪ǖ肋M(jìn)行配置。（6）能夠自動(dòng)運(yùn)行測試序列，生成測試報(bào)告?；谝陨弦髮?duì)上位機(jī)管理軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件功能定義如圖5所示。

圖5 上位機(jī)管理軟件功能定義

基于LabVIEW軟件開發(fā)了管理程序。通過LabVIEW軟件中的VeriStand API設(shè)計(jì)管理程序，使其能夠在VeriStand軟件環(huán)境中運(yùn)行。該管理程序可通過切換按鈕進(jìn)入不同的操作界面，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能，操作界面包含數(shù)據(jù)回放界面、手動(dòng)控制界面和程控電源控制界面。

3 模型設(shè)計(jì)及仿真

3.1 模型設(shè)計(jì)

使用該系統(tǒng)對(duì)開發(fā)中的懸架控制器進(jìn)行仿真測試，懸架控制器是空氣懸架的核心單元，作用是根據(jù)整車狀態(tài)以及空氣彈簧的實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)其充排氣進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架控制器的測試，需要建立盡可能準(zhǔn)確的空氣彈簧動(dòng)力學(xué)模型，但是空氣彈簧具有不同氣壓下變剛度的特點(diǎn)，且溫度、濕度等外界條件對(duì)橡膠彈性有影響，精確建模較困難。考慮到當(dāng)前是對(duì)懸架控制器的控制邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，模型只要符合實(shí)際變化趨勢即可滿足測試需求[8-9]?；诖耍瑢?duì)空氣彈簧模型簡化，在Simulink中搭建了空氣彈簧模型。

之后要將Simulink模型下載到NI-RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行，流程如圖6所示。

圖6 模型開發(fā)及調(diào)用流程

3.2 模型仿真

懸架控制器的主要功能之一是根據(jù)用戶輸入信號(hào)調(diào)節(jié)空氣彈簧高度，高度模式分為三種：高位、中位、低位，懸架控制器控制空氣彈簧的充排氣進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。通過空氣彈簧模型模擬真實(shí)彈簧低位→高位→中位的調(diào)節(jié)過程，首先給懸架控制器輸入低位控制指令，讓空氣彈簧處于低位狀態(tài)，然后再分別輸入高位、中位指令，觀察高度調(diào)節(jié)曲線變化過程。

4 用例測試

4.1 離線數(shù)據(jù)仿真

離線數(shù)據(jù)仿真是將實(shí)車行駛時(shí)采集的整車信號(hào)通過HiL系統(tǒng)進(jìn)行回放，對(duì)懸架控制器進(jìn)行測試。該過程通過上位機(jī)管理軟件的回放模塊來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)文件，將整車狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給懸架控制器，同時(shí)記錄控制器的輸出信號(hào)，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，比較控制器的輸出結(jié)果是否與預(yù)期一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的測試。

4.2 測試用例設(shè)計(jì)與執(zhí)行

HiL系統(tǒng)最重要功能之一是運(yùn)行測試用例，完善合理的測試用例是保證測試可靠的前提[10]。根據(jù)控制器功能規(guī)范設(shè)計(jì)測試用例[11]，本文生成開關(guān)量參數(shù)組合，再將懸架高度傳感器的模擬量信號(hào)添加到開關(guān)信號(hào)組合中。在完成每條測試用例輸入?yún)?shù)后需要設(shè)置期望的輸出結(jié)果，如表1所示。

表1 懸架控制器狀態(tài)表

控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7所示。

圖7 控制器狀態(tài)變化圖

根據(jù)對(duì)控制邏輯的分析，控制器會(huì)分別處于三種高度模式，而且每種高度模式下會(huì)有10種整車狀態(tài)，假設(shè)任意兩種狀態(tài)之間都可以轉(zhuǎn)換，測試用例理論條數(shù)為10×10×10=1000條。除去部分不可能存在的組合，對(duì)余下組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Excel中設(shè)置狀態(tài)切換和對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合值及對(duì)應(yīng)的期望值。然后通過HiL系統(tǒng)調(diào)用Excel中的參數(shù)組合作為激勵(lì)信號(hào)輸入給懸架控制器，同時(shí)記錄控制器的輸出結(jié)果，將該結(jié)果與期望值進(jìn)行比較，以判斷該條測試是否通過?；贓xcel設(shè)計(jì)的測試用例表格結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 懸架控制器測試用例表

完成測試用例表格設(shè)計(jì)后，即可開始測試用 例的執(zhí)行，執(zhí)行過程如圖8所示。

圖8 TestStand執(zhí)行測試用例

在TestStand軟件中調(diào)用Ⅵ讀取Excel測試用例表格中的數(shù)據(jù)，將信號(hào)參數(shù)傳遞到系統(tǒng)的環(huán)境變量中，然后調(diào)用VeriStand項(xiàng)目將系統(tǒng)環(huán)境變量中存儲(chǔ)的信號(hào)參數(shù)賦給NI-PXI系統(tǒng)的I/O、CAN/LIN通道，懸架控制器接收到來自HiL系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)輸入時(shí)，會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的輸出動(dòng)作，如控制電池閥的開閉以及氣泵充氣狀態(tài)等。與此同時(shí)，HiL系統(tǒng)會(huì)記錄并存儲(chǔ)控制器的輸出信號(hào)，將其與測試表格中的期望輸出進(jìn)行比較，從而判斷該項(xiàng)測試是否通過，并存儲(chǔ)判斷結(jié)果。

5 結(jié)論

本文根據(jù)汽車懸架控制器的測試需求，設(shè)計(jì)一款基于NI-PXI平臺(tái)的通用HiL測試系統(tǒng)，基于LabVIEW和VeriStand軟件設(shè)計(jì)了功能全面且操作簡單的管理軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度和管理。該系統(tǒng)可用于簡單的手動(dòng)測試，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車記錄數(shù)據(jù)的回放，模擬實(shí)車工況進(jìn)行控制器性能測試。此外，系統(tǒng)可通過VeriStand調(diào)用Simulink模型實(shí)現(xiàn)測試環(huán)境的實(shí)時(shí)仿真。最后設(shè)計(jì)了基于Excel表格的測試用例方法，通過Test-Stand軟件運(yùn)行測試用例，并生成測試報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制器功能的全覆蓋測試，能夠精確定位控制邏輯問題，提高了懸架控制器的開發(fā)效率。

本文對(duì)HiL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)適用于多數(shù)汽車電控單元測試系統(tǒng)的開發(fā)，具有一定的借鑒意義。