快速精密DAC應(yīng)用：硬件在環(huán)（HiL）

閉環(huán)應(yīng)用在當(dāng)今許多新興技術(shù)中得到廣泛傳播?；旧希?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器確定執(zhí)行器必須如何操作才能達(dá)到預(yù)期結(jié)果，不斷適應(yīng)環(huán)境的變化。一個(gè)很好的例子是汽車(chē)的巡航控制，其中傳感器測(cè)量速度和其他參數(shù)，駕駛員按照眾多電子控制單元（ECU）之一中的算法對(duì)油門(mén)進(jìn)行操作。

現(xiàn)在想想巡航控制如何適應(yīng)傾斜、風(fēng)切變和重新武裝的變化。許多熟悉的概念在這里發(fā)揮作用：反應(yīng)時(shí)間、延遲、階躍響應(yīng)、壓擺率、過(guò)沖、負(fù)載調(diào)節(jié)。是的，我們都希望巡航控制系統(tǒng)在坡度變化時(shí)保持穩(wěn)定的速度，并在重新武裝時(shí)輕輕地達(dá)到巡航速度。它最終取決于閉環(huán)延遲，即自測(cè)量變化并采取行動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。閉環(huán)延遲涉及傳播速度、轉(zhuǎn)換時(shí)間和處理時(shí)間。高延遲（如低相位裕量）會(huì)使速度振蕩。

圖 1 描述了巡航控制的潛在駕駛場(chǎng)景。如速度圖所示，巡航控制系統(tǒng)對(duì)重新布防（階躍響應(yīng)）和坡度變化（負(fù)載調(diào)節(jié)）反應(yīng)良好，但對(duì)風(fēng)切變的反應(yīng)為時(shí)已晚。功率圖顯示了巡航控制系統(tǒng)為適應(yīng)不斷變化的條件所做的工作。

圖1.巡航速度控制場(chǎng)景中的速度和功率與時(shí)間的關(guān)系

讓我們考慮制造商的一面。假設(shè)您必須在 7 種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)上測(cè)試電子控制單元和巡航控制軟件，其中包含數(shù)百個(gè)測(cè)試用例。讓真正的汽車(chē)全天候巡視賽道是不切實(shí)際的。那么，為什么不將ECU連接到模擬汽車(chē)行為的設(shè)備呢？該模擬器可以 24/7 全天候運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)即可驗(yàn)證軟件中的每個(gè)微小更改。

這就是我們所說(shuō)的硬件在環(huán)（HiL）。該技術(shù)包括用能夠連接用于傳感和控制的信號(hào)的仿真器替換系統(tǒng)的一部分，目的是在多種條件下驗(yàn)證另一部分。

汽車(chē)許多部件的電氣化促進(jìn)了這一過(guò)程的自動(dòng)化，因?yàn)镋CU和仿真器之間的許多交互可以在電氣層面進(jìn)行。

圖2.使用 HiL 用自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室測(cè)試取代現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

從傳感器捕獲的信號(hào)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的信號(hào)可以是數(shù)字或模擬的，因此仿真器必須包括快速精確的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。從捕獲點(diǎn)到驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的延遲必須盡可能小，以最大限度地?cái)U(kuò)大可以使用仿真器的應(yīng)用程序范圍。需要高分辨率和高精度來(lái)模擬某些傳感器和執(zhí)行器的大動(dòng)態(tài)范圍。

仿真器還可以包括DSP或FPGA，用于處理輸入并在連續(xù)流上生成輸出。該器件的延遲會(huì)增加總數(shù)，并且可能很大，尤其是在使用FIR濾波器的情況下。

圖3.硬件在環(huán)系統(tǒng)測(cè)試ECU的概念圖

總延遲包括ADC和DAC的轉(zhuǎn)換時(shí)間、與FPGA之間的數(shù)字傳輸時(shí)間、FPGA中的處理時(shí)間和DAC輸出的建立時(shí)間。讓我們看一個(gè)使用真實(shí)設(shè)備的示例：

圖4.使用ADAQ23876和AD3552R實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)系統(tǒng)

表 1.硬件在環(huán)系統(tǒng)各元件的數(shù)據(jù)速率和延遲

某些操作可以重疊以提高信號(hào)鏈的更新速率，從而提供更高的信號(hào)帶寬。但是，閉環(huán)帶寬仍受總延遲的限制。換言之，器件無(wú)法補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間小于信號(hào)鏈延遲的變化。例如，采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理在DAC的建立時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)10 MSPS的采樣速率。

硬件在環(huán)仿真器用于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：

ECU 驗(yàn)證和測(cè)試。硬件在環(huán)系統(tǒng)模擬汽車(chē)的行為，產(chǎn)生ECU讀取的信號(hào)并檢查其產(chǎn)生的響應(yīng)。接口可以是全電氣的，也可以通過(guò)執(zhí)行器（DAC驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)的傳感器）。

燃燒/電動(dòng)/混合動(dòng)力總成仿真。仿真可以在兩個(gè)級(jí)別進(jìn)行：

功率級(jí)別。電動(dòng)機(jī)使用電子負(fù)載進(jìn)行仿真，HiL系統(tǒng)合成轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)。

機(jī)械水平。硬件在環(huán)系統(tǒng)控制電制動(dòng)器并合成轉(zhuǎn)速、扭矩和位置信號(hào)。

電池管理系統(tǒng) （BMS） 測(cè)試或電池組仿真。硬件在環(huán)系統(tǒng)模擬每個(gè)電池單元的電壓，并提供預(yù)期的電流。它還可以提供健康信號(hào)，例如溫度。

電動(dòng)汽車(chē)/光伏逆變器驗(yàn)證和測(cè)試。硬件在環(huán)系統(tǒng)控制電子負(fù)載并綜合負(fù)載處的電流和電壓測(cè)量值。

在測(cè)試響應(yīng)時(shí)間短的設(shè)備時(shí)，硬件在環(huán)系統(tǒng)是強(qiáng)制性的。除此之外，HiL平臺(tái)的使用允許在多種場(chǎng)景中自動(dòng)驗(yàn)證這些設(shè)備，并提供廣泛的測(cè)試計(jì)劃，并確保在所有條件下都滿(mǎn)足嚴(yán)格的要求。這種覆蓋水平在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中是不切實(shí)際的。

HiL的一個(gè)關(guān)鍵部分是信號(hào)接口，特別是模擬I/O，它必須快速和準(zhǔn)確，需要新的精密ADC和DAC寬度。

審核編輯：郭婷