引言

當(dāng)今汽車行業(yè)，法規(guī)對安全性、動力性、舒適性、排放等提出了日益嚴(yán)格的要求，而這些性能又很大程度受ECU性能和質(zhì)量的影響。因此在汽車中，ECU不僅數(shù)量持續(xù)上升，其功能也不斷增強(qiáng)。

在汽車中，分單個ECU系統(tǒng)和多個ECU互聯(lián)系統(tǒng)，前者如安全氣囊ECU，后者如發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS) ECU。EMS涉及數(shù)千個參數(shù)和多個電子設(shè)備，而且這些參數(shù)之間存在數(shù)據(jù)共享和傳遞，需要通過不同的汽車總線將各個電子設(shè)備互聯(lián)，以形成車載網(wǎng)絡(luò)，并完成復(fù)雜的智能控制和故障診斷。ECU復(fù)雜性和功能性不斷增加，為確保最終產(chǎn)品質(zhì)量，需要通過自動化測試手段來減少從定義、分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品周期環(huán)節(jié)的人為失誤。此外，還面臨如何在最短的開發(fā)周期內(nèi)以最經(jīng)濟(jì)的成本將產(chǎn)品推向市場的挑戰(zhàn)。

控制器開發(fā)“V”模式

經(jīng)過多年探索，業(yè)界普遍采用基于計(jì)算機(jī)模型的控制器開發(fā)“V”模式，如圖1所示。該模式可以很大程度地減少反復(fù)過程、縮短開發(fā)周期，以節(jié)省成本。該模式除應(yīng)用于汽車用ECU開發(fā)外，也已成功應(yīng)用到航空、國防、“白色”家電、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。下面按照“V”模式圖橫向?qū)?yīng)的先后環(huán)節(jié)順序作簡單闡述。

系統(tǒng)定義：根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)規(guī)范，如控制算法、控制對象參數(shù)等。往往需要以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)作參考。

設(shè)計(jì)、仿真：根據(jù)控制系統(tǒng)定義，將整個系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，即對控制器的控制邏輯、控制對象環(huán)境進(jìn)行建模仿真，以幫助設(shè)計(jì)者在先期就對系統(tǒng)指標(biāo)、誤差等進(jìn)行快速評估。仿真工具主要有NI LabVIEW、The MathWorks, Inc. Simulink?、MATRIXx等。其中LabVIEW允許設(shè)計(jì)者在圖形化環(huán)境中借助提供的控制仿真模塊對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和動態(tài)仿真，又可集成第三方軟件開發(fā)的模型和代碼，包括The MathWorks, Inc. Simulink?、MSC CarSim，甚至C代碼。MATRXx則提供一整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真工具，尤其適合開發(fā)和管理大型的、復(fù)雜的模型。

圖1 控制器開發(fā)“V”模式圖

快速原型：在這里，快速控制原型（Rapid Control Prototype，簡稱快速原型）概念區(qū)別于機(jī)械制造中根據(jù)CAD數(shù)據(jù)自動構(gòu)建物理模型的快速成型技術(shù)。因?yàn)檐浖抡娌荒芡耆w現(xiàn)實(shí)際的動態(tài)環(huán)境，需要開發(fā)一個控制器硬件原型用以在真實(shí)環(huán)境下驗(yàn)證算法，即將控制器模型下載到一個實(shí)時硬件平臺，并通過I/O連接至真實(shí)環(huán)境中的傳感器、執(zhí)行器并進(jìn)行測試，該過程即快速原型，也常稱為軟件在環(huán)。選用實(shí)時硬件平臺是為了仿真的時效性、確定性和穩(wěn)定性。

代碼生成與軟件測試：控制器模型在通過快速原型環(huán)節(jié)驗(yàn)證之后，將該模型自動或手工生成C代碼或其它支持類型的代碼，并下載到ECU的微控制器。并對所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼進(jìn)行測試。

硬件在環(huán)：硬件在環(huán)(Hardware in the Loop)是指將已下載目標(biāo)代碼的ECU通過I/O連接至先前建立的環(huán)境模型(硬件在環(huán)仿真器)，并測試該ECU在各種工況下的功能性和穩(wěn)定性。硬件在環(huán)是一個閉環(huán)的測試系統(tǒng)，可重復(fù)地進(jìn)行動態(tài)仿真；可在試驗(yàn)室里仿真夏季和冬季的道路試驗(yàn)，無需真實(shí)的測試環(huán)境組件，節(jié)約測試成本；可進(jìn)行臨界條件測試和模擬極限工況，如發(fā)動機(jī)水溫和油溫、ABS試驗(yàn)時車速和道路附著系數(shù)，沒有實(shí)際風(fēng)險；并可通過軟件(模型)、硬件(故障輸入模塊)來模擬開路、與地短接、ECU引腳間短接等錯誤，以及模擬傳感器、執(zhí)行器出錯情況。

系統(tǒng)標(biāo)定和測試：在完成關(guān)鍵的硬件在環(huán)之后，將修正后的控制器連接至真實(shí)I/O環(huán)境，并進(jìn)行臺架試驗(yàn)、道路試驗(yàn)，直至最后生產(chǎn)出廠。

以上控制器開發(fā)“V”模式符合國際汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ASAM/ASAP)，已在諸多著名汽車電子廠家中獲得成功?？焖僭秃陀布诃h(huán)是控制器開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，目前針對這兩個環(huán)節(jié)的解決方案普遍面臨成本高的不足。NI根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和I/O數(shù)目，為快速原型和硬件在環(huán)測試提供不同的、低成本的解決方案。比如對于面向控制算法相對簡單、I/O數(shù)目相對較少的車身電子控制的ECU，可選擇CompactRIO平臺進(jìn)行ECU快速原型和硬件在環(huán)測試；針對較為復(fù)雜的動力總成系統(tǒng)和主動懸架系統(tǒng)，可選用PXI實(shí)時系統(tǒng)平臺。上述平臺均具有開發(fā)時間短、通用性、可擴(kuò)展性、低成本的特點(diǎn)；并在國內(nèi)外獲得了廣泛應(yīng)用，如MicroNova，Wineman Technology，KGC，Averna，KPIT Cummins等成功地為整車廠提供了解決方案；在國內(nèi)，如上海大眾某車型全車多個ECU硬件在環(huán)測試是在NI PXI平臺下實(shí)現(xiàn)的。

下面舉兩個例子來說明NI軟硬件平臺在控制器快速原型和硬件在環(huán)中的應(yīng)用。

應(yīng)用舉例一：Yamaha摩托車控制系統(tǒng)快速原型測試

美國Drivven公司承擔(dān)為Yamaha YZF-R6 摩托車開發(fā)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)原型項(xiàng)目。項(xiàng)目要求：毫秒級的控制器模型循環(huán)時間；微妙級的噴油和點(diǎn)火正時；并考慮摩托車空間受限、設(shè)備供電等因素。

Drivven在經(jīng)過市場調(diào)查之后，最終選擇NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)平臺。該平臺包括實(shí)時嵌入式控制器、內(nèi)置FPGA芯片的機(jī)箱以及內(nèi)置信號調(diào)理的模塊。整個系統(tǒng)具有小型、堅(jiān)固、9-35V直流供電，適應(yīng)復(fù)雜的測試環(huán)境和有限的測試空間。FPGA芯片是CompactRIO體系結(jié)構(gòu)的核心，但設(shè)計(jì)者借助LabVIEW FPGA模塊，無須硬件描述語言和相關(guān)專業(yè)知識，便可在WINDOWS操作系統(tǒng)上用圖形化方法開發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載。該平臺又是一個開放的平臺，既可選用現(xiàn)成的針對不同信號類型的模塊，又可自己開發(fā)自定義模塊。Drivven根據(jù)項(xiàng)目需求，開發(fā)了模數(shù)混合模塊、燃料噴射模塊、氧傳感器模塊、可變磁阻和霍爾模塊等。

通過LabVIEW實(shí)時模塊編程實(shí)現(xiàn)高性能賽車常用的速度密度法和節(jié)氣門開度速度法組合控制策略。速度密度法是指利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣密度來計(jì)算各缸進(jìn)氣量，系統(tǒng)驅(qū)動噴油器提供所需的油量，以滿足各種節(jié)氣門狀態(tài)下的理論空燃比要求和在節(jié)氣門全開情況下的最大扭矩需求，應(yīng)用于低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況。節(jié)氣門開度速度法是指根據(jù)兩者參數(shù)值在二維圖表上查找空氣質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)值。

將CompactRIO原型平臺布置在該摩托車上，進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)和程序界面如圖2、圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可高達(dá)15500RPM；能很好地實(shí)現(xiàn)噴油、點(diǎn)火正時等策略。同時，實(shí)時控制器可記錄下試驗(yàn)過程中包括進(jìn)氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節(jié)氣門位置、噴油初始角、點(diǎn)火提前角等參數(shù)。Drivven公司總裁Carroll G. Dase表示：“和過去類似項(xiàng)目相比，利用CompactRIO平臺從過去兩人一年的工作量并耗費(fèi)50萬美金下降到三人一個月的工作量且只需花費(fèi)15000美金?！?/p>

圖2 發(fā)動機(jī)控制器硬件原型

圖3 發(fā)動機(jī)原型上位機(jī)測試界面

應(yīng)用舉例二：MicroNova發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)測試

德國MicroNova公司面臨在短時間內(nèi)開發(fā)緊湊的、高精度的板卡用于汽車發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測試，要求能夠仿真2缸、4缸、6缸和12缸完整的測試環(huán)境的項(xiàng)目需求。

基于對PXI平臺模塊化、靈活性的了解，MicroNova選擇了NI PXI平臺，包含PXI-8196實(shí)時嵌入式控制器、PXI-7831 FPGA板卡、PXI-6723模擬輸出板卡以及PXI CAN模塊。其中，PXI-7831是能提供模擬的輸入輸出、數(shù)字的輸入輸出、PWM生成和測量的標(biāo)準(zhǔn)板卡，并可通過LabVIEW FPGA編程實(shí)現(xiàn)曲軸、凸輪軸、爆震、點(diǎn)火等非標(biāo)準(zhǔn)信號。通過LabVIEW仿真接口工具包集成已有的在Simulink環(huán)境下開發(fā)的仿真器模型，協(xié)同TESIS DYNAware提供的發(fā)動機(jī)模組來構(gòu)建虛擬的測試環(huán)境，并運(yùn)行于PXI實(shí)時控制器中。MicroNova開發(fā)了信號調(diào)理模塊，對信號大小、I/U、U/I、U/R等進(jìn)行調(diào)理，以滿足類似ECU電流在休眠模式下為幾個μA，而工作模式時可達(dá)50 A的需求。此外，系統(tǒng)還包括Magneti Marelli ECU、故障輸入模塊和真實(shí)負(fù)載。

整個硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示，包括FPGA目標(biāo)、實(shí)時系統(tǒng)和上位機(jī)三個部分，其中上位機(jī)為用戶操作界面和自動化測試管理程序。該系統(tǒng)具有小型化、高精度、開發(fā)時間短、低成本的特點(diǎn)。不僅可直接使用已有的模型、接口板等；又可根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行模塊替換或擴(kuò)展；板載FPGA便于實(shí)現(xiàn)靈活的可重復(fù)配置，但無需復(fù)雜的軟件硬件知識；通過PXI背板總線實(shí)現(xiàn)數(shù)量眾多的I/O在不同的總線速度下同步。

圖4 MicroNova發(fā)動機(jī)硬件在環(huán)測試軟件架構(gòu)

該平臺已成功用作BMW某12缸直噴發(fā)動機(jī)的硬件在環(huán)仿真器；還可用于其它不同系列發(fā)動機(jī)，如：含可變氣門驅(qū)動、可調(diào)式凸輪軸控制、直噴技術(shù)的V-12和6缸直列發(fā)動機(jī)；帶渦輪增壓、空氣中冷4缸直列共軌柴油機(jī)；用于摩托車的進(jìn)氣管噴射、2個爆震傳感器和雙節(jié)氣門的V-2發(fā)動機(jī)。

總結(jié)：

目前，基于PC技術(shù)的控制器開發(fā)“V”模式已成為汽車ECU開發(fā)一套行之有效的方法。對于其中快速原型和硬件在環(huán)兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)ECU I/O數(shù)量和控制邏輯的復(fù)雜度選擇對應(yīng)的CompactRIO平臺或PXI平臺，且整個系統(tǒng)是在圖形化設(shè)計(jì)工具LabVIEW下實(shí)現(xiàn)的，無需復(fù)雜的軟硬件知識；均具有成本低、開發(fā)時間短、可擴(kuò)展性、通用性等特點(diǎn)。