NI基于PC技術(shù)的控制器開發(fā)“V”模式在汽車ECU開發(fā)中的應(yīng)用實(shí)例

1. 引言

當(dāng)今汽車行業(yè)，法規(guī)對(duì)安全性、動(dòng)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(gè)ECU系統(tǒng)和多個(gè)ECU互聯(lián)系統(tǒng)，前者如安全氣囊ECU，后者如發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS) ECU。EMS涉及數(shù)千個(gè)參數(shù)和多個(gè)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(gè)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(dòng)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)。

2. 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。

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圖1 控制器開發(fā)“V”模式圖

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(duì)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(gè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，即對(duì)控制器的控制邏輯、控制對(duì)象環(huán)境進(jìn)行建模仿真，以幫助設(shè)計(jì)者在先期就對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)、誤差等進(jìn)行快速評(píng)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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和動(dòng)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。

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(dòng)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(dòng)態(tài)環(huán)境，需要開發(fā)一個(gè)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(gè)實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)，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(shí)硬件平臺(tái)是為了仿真的時(shí)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(dòng)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(duì)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(gè)閉環(huán)的測試系統(tǒng)，可重復(fù)地進(jìn)行動(dòng)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(dòng)機(jī)水溫和油溫、ABS試驗(yàn)時(shí)車速和道路附著系數(shù)，沒有實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)；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(cuò)誤，以及模擬傳感器、執(zhí)行器出錯(cuò)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(tái)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(duì)這兩個(gè)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(duì)于面向控制算法相對(duì)簡單、I/O數(shù)目相對(duì)較少的車身電子控制的ECU，可選擇CompactRIO平臺(tái)進(jìn)行ECU快速原型和硬件在環(huán)測試；針對(duì)較為復(fù)雜的動(dòng)力總成系統(tǒng)和主動(dòng)懸架系統(tǒng)，可選用PXI實(shí)時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)。上述平臺(tái)均具有開發(fā)時(shí)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(gè)ECU硬件在環(huán)測試是在NI PXI平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)的。

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