ITI是全球領(lǐng)先的系統(tǒng)仿真軟件及工程公司之一,。SimulationX標準工具用來評估技術(shù)系統(tǒng)中所有組件的相互作用,，并支持Modelica語言,。ITI與全球分公司、分銷商及伙伴共同合作,，另外,，它也是美國國家儀器聯(lián)盟伙伴之一。
TraceTronic提供創(chuàng)新的解決方案,、服務(wù)及軟件產(chǎn)品,，用于開發(fā)和驗證復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)。公司服務(wù)范圍包括了從電子控制單元（ECU）的軟件功能開發(fā)和測試,，到HIL系統(tǒng)的全程開發(fā),。
開發(fā)多用途車輛的驗證框架
為給國防部門以及警察和安全部隊配備更加先進的移動,、模塊化和防護技術(shù),，Kraus-Maffei Wegmann（KMW）以及其他一些公司接受挑戰(zhàn)，開發(fā)了新一代裝甲多用途車輛（AMPV）,，它們不僅具有良好的移動性能,，同時還提供最高水平的防護。它們使用裝甲鋼和復(fù)合裝甲創(chuàng)造出一種自我支持安全元件,，為裝甲車輛制定了新標準,。車輛超越了目前的防護標準,，并且重量顯著減輕。車輛操縱簡單,，其內(nèi)部優(yōu)化人機界面（HMI）,，使駕駛員和其他人員能夠?qū)Ｗ⒂谕瓿扇蝿?wù)，從而進一步提高了防護水平,。AMPV的駕駛越容易,，人員和設(shè)備就越安全。我們與經(jīng)驗豐富的軟件及硬件制造商密切合作,，為車輛內(nèi)置系統(tǒng)制訂了完善的驗證策略,。
開發(fā)組合式HIL試驗平臺
項目從實現(xiàn)HIL試驗平臺開始。首先,，我們分析了客戶要求和電子控制器單元（ECU）,。分析結(jié)果為技術(shù)理念與試驗平臺規(guī)格奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)有HIL仿真器的市場研究表明：目前尚無關(guān)于靈活性,、集成度和價格方面滿足具體項目要求的標準解決方案,，因此我們基于現(xiàn)有和專用組件開發(fā)了一個自定義系統(tǒng)。
我們選擇NI VeriStand作為實時平臺,。此NI解決方案基于行業(yè)標準硬件,，從而我們以非常合理的成本實現(xiàn)了高性能系統(tǒng)。另外,，我們能夠以一種靈活且高性價比的方式,，根據(jù)不斷增長的測試需求擴展系統(tǒng)的計算能力
為了快速計算實時模型，我們選擇了具有兩個2.53 GHz Intel Xeon處理器的標準服務(wù)器,。兩個處理器共有8個內(nèi)核,。目前實時模型所導(dǎo)致的相對較低的負載提供了足夠的擴展能力，甚至不需要升級硬件,。
I/O硬件通過PXI擴展機箱與PC相連,。這只占用了一個PCI Express插槽，PXI底板提供了足夠數(shù)目的插槽用來插入其他I/O板,。試驗平臺使用NI PXI控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信板卡以及模擬和數(shù)字I/O,。對于模擬速度傳感器信號等嚴格時間要求信號，我們增加了一個NI PXI-7831R現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）模塊,。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開發(fā)FPGA程序,。
另外，我們還選用了一個集成有故障模擬的信號調(diào)節(jié)單元,，減少了試驗臺復(fù)雜的接線,，并且不會無故降低信號質(zhì)量。為了滿足兩種板載電壓電平車輛的要求，我們在試驗臺中集成了兩個可控制電源,。顯示器顯示處理器核的當(dāng)前負載,，以及實時系統(tǒng)與實時模型的相關(guān)信息。
試驗平臺硬件布局
組合式HIL試驗臺的所有組件和接線完全集成在一個19英寸機架上,。除了驗證ECU軟件之外,，我們還可以使用試驗臺布局來測試小批量模塊系列，例如帶ECU的托架等,。由于我們可以將車輛接線束直接與試驗臺相連接,，所以這也被證明可行。
實時模型
要求
隨著控制器功能越來越復(fù)雜,，人們對于實時設(shè)備模型在能力和細節(jié)建模程度方面的要求也越來越高,。特別地，現(xiàn)代車輛中的激勵器運行時除了僅僅開與關(guān)之外,，還越來越受到制約,。為此，我們選用ITI SimulationX,。
測試系統(tǒng)的ECU與模型相互作用
在本項目中,，我們利用SimulationX對所有與車輛控制器交互的物理元件進行了建模，主要包括以下幾個方面：
- 發(fā)動機
- 帶扭矩變換器的減速箱和兩級可換檔變速箱
- 傳動系統(tǒng),，配備可鎖定和自解鎖差速器,、四輪驅(qū)動，在連接ABS和轉(zhuǎn)向傳感器的情況下轉(zhuǎn)彎時所用的車輪調(diào)速轉(zhuǎn)向模型
- 制動和ABS系統(tǒng)
- 輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)
確保實時性能
與專為實時能力設(shè)計的預(yù)配置黑盒子解決方案相比,，為具體任務(wù)定制或者從其他實時模型得出的物理模型一般不能執(zhí)行實時任務(wù),。它們的實時性能由建模人員在開發(fā)模型時保證。
模型的實時能力通過兩種主要機制實現(xiàn),。一方面,，采用獨一無二的、徹底符號式的預(yù)處理,。在代碼生成期間,，SimulationX對整個系統(tǒng)模型的物理和數(shù)學(xué)方程式進行自動預(yù)處理。通過解答并代入方程式,，簡化在一次計算中多次出現(xiàn)的表達式,，以及完全除去不影響指定接口信號的數(shù)量的計算（例如內(nèi)部結(jié)果變量），來簡化系統(tǒng),。所有這些都不需要用戶參與,；通過與其他代碼優(yōu)化措施配合，可獲得非常高效的實時代碼,。另一方面,，若干分析方法例如固有頻率和振動模式，以及能源分布和性能分析等,，在模型-性能優(yōu)化過程中為用戶提供輔助,，從而滿足所有計算時間要求。
一般來說,，為此項目開發(fā)的SimulationX模型具有卓越的性能,。例如，在一個處理器核上,，即使模型實現(xiàn)了相對較高的采樣速率,，整個傳動系統(tǒng)模型也只需要20%的計算能力。
傳動系統(tǒng)模型范例
傳動系統(tǒng)中的組件模型按照相關(guān)ECU的I/O要求,，以不同的細節(jié)程度實現(xiàn),。從發(fā)動機的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發(fā)動機的行為,。然而,，噴油系統(tǒng)執(zhí)行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數(shù)化的精確設(shè)備建模。
在本項目中,，我們用實際噴油控制系統(tǒng)驗證了此模型部分,。對齒輪箱和扭矩變換器進行了物理建模，其中包含離合器和制動器模型,，這些模型摩擦特性實現(xiàn)參數(shù)化,。這使得齒輪更換，和換檔期間的過渡行為,，例如速度梯度和齒輪更換時間等建模都成為可能,。這個步驟很有意義，因為憑借不同的制動器和離合器扭矩,，齒輪箱執(zhí)行器不僅可以以開/關(guān)方式,，而且以中間步驟方式運行。,，剩余傳動系統(tǒng)模型包括了傳動軸的彈性,，因此它可以進行典型的傳動系統(tǒng)振動。根據(jù)轉(zhuǎn)向角度不同,，每個車輪的曲線半徑均不同,，因此在轉(zhuǎn)彎期間，傳感器能夠探測到各個車輪速度,。
除了控制器輸出信號之外,，傳動系統(tǒng)模型還處理制動系統(tǒng)模型所提供的制動扭矩，并將其運用到車輪上,。傳動系統(tǒng)的速度傳感器輸出為各個ECU提供支持,，但由于它們的信號頻率過高,，很難由實時模型生成，而改由FPGA產(chǎn)生,。模型只能提供通過傳感器的輪齒的脈沖頻率
所示模型在實時系統(tǒng)的一個處理器內(nèi)核上運行,，周期為0.1 ms。因此,，模型所占的處理器內(nèi)核計算資源不到20%,。
試驗自動化
為了充分利用HIL試驗評臺，我們需要一個靈活的的試驗自動化環(huán)境,。由于KMW 內(nèi)部開發(fā)需要多種回歸試驗,，出于質(zhì)量和成本原因，自動化試驗是必不可少的,。
對于此應(yīng)用,，我們使用TraceTronic ECU-TEST的試驗自動化環(huán)境。此工具用來指定,、實施,、執(zhí)行和記錄試驗結(jié)果。
通過在相關(guān)試驗環(huán)境中改變不同開發(fā)階段的信號映射,，試驗案例的可重用性節(jié)約了用戶的寶貴時間,，試驗采用可視化設(shè)計，無需編輯源代碼,。
ECU-TEST中實現(xiàn)的回歸試驗涵蓋了所需驗證水平的整個帶寬,，范圍從模擬ECU輸入和觀察CAN上的相關(guān)響應(yīng)等低水平試驗，到故障管理和故障確認等相互作用及復(fù)雜功能的試驗,。這有助于將試驗工作量降至先前工作量的15%,，試驗深度明顯提升。
益處
生產(chǎn)先進,、高度保護,、相對輕質(zhì)，并且具有多種新功能的多用途車輛只復(fù)雜的聯(lián)網(wǎng)ECU來生產(chǎn),。車輛制造商負責(zé)整個系統(tǒng),，包含車輛、內(nèi)部開發(fā)ECU,，以及從外部供應(yīng)商處獲得的ECU,。為了很好的完成任務(wù)，制造商會對所有的ECU進行集成和聯(lián)合試驗,，確保它們能夠一開始就正確地安裝到車輛上,。
新型的HIL試驗平臺是國際標準硬件與軟件組件的獨特組合。因此,，客戶可得到由HIL試驗平臺,、定制實時模型和高度自動化試驗環(huán)境所組成的定價優(yōu)化,、高度可擴展驗證框架。此組合有助于制造商以高性價比的優(yōu)化方式,，集成不同的車輛ECU,。由此客戶也能夠充分利用可擴展性和I/O靈活性的優(yōu)勢。憑借環(huán)路中的實時模型,，AMPV的ECU網(wǎng)絡(luò)能夠快速驗證，并提供優(yōu)化整個系統(tǒng)的集成方法,。在本項目中,，與非HIL試驗方法相比，此試驗工作量減少了85%,，同時試驗深度明顯提升,。
結(jié)果
使用NI實時硬件和NI VeriStand軟件，我們卓有成效地完成模型開發(fā)和HIL試驗臺集成,。我們利用模型,、試驗臺軟件和硬件之間界限清晰的接口，并行執(zhí)行所有三個領(lǐng)域的開發(fā)活動,。NI VeriStand的簡短學(xué)習(xí)曲線幫助我們快速建立與運行HIL試驗系統(tǒng),。可擴展環(huán)境確保我們能夠擴展HIL試驗系統(tǒng),，以滿足將來的需要,。NI VeriStand的重新配置非常簡便，這樣當(dāng)試驗要求發(fā)生變化,，例如,，當(dāng)信號和模型需要重新定線以進行調(diào)試時，可以更改配置,。NI VeriStand與實時及FPGA硬件的固有集成使試驗系統(tǒng)能夠滿足所需的定時要求,，并能在將來進行試驗擴展。
欲了解此案例分析的更多信息,，請聯(lián)系：
René Müller
TraceTronic
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