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作者: Andreas Abel - ITI René Müller - TraceTronic ITI是全球領先的系統仿真軟件及工程公司之一。SimulationX標準工具用來評估技術系統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盟伙伴之一。 TraceTronic提供創新的解決方案、服務及軟件產品，用于開發和驗證復雜的嵌入式系統。公司服務范圍包括了從電子控制單元（ECU）的軟件功能開發和測試，到HIL系統的全程開發。 開發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，Kraus-Maffei Wegmann（KMW）以及其他一些公司接受挑戰，開發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合裝甲創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，其內部優化人機界面（HMI），使駕駛員和其他人員能夠專注于完成任務，從而進一步提高了防護水平。AMPV的駕駛越容易，人員和設備就越安全。我們與經驗豐富的軟件及硬件制造商密切合作，為車輛內置系統制訂了完善的驗證策略。 開發組合式HIL試驗平臺 項目從實現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）。分析結果為技術理念與試驗平臺規格奠定了基礎�，F有HIL仿真器的市場研究表明：目前尚無關于靈活性、集成度和價格方面滿足具體項目要求的標準解決方案，因此我們基于現有和專用組件開發了一個自定義系統。 我們選擇NI VeriStand作為實時平臺。此NI解決方案基于行業標準硬件，從而我們以非常合理的成本實現了高性能系統。另外，我們能夠以一種靈活且高性價比的方式，根據不斷增長的測試需求擴展系統的計算能力 為了快速計算實時模型，我們選擇了具有兩個2.53 GHz Intel Xeon處理器的標準服務器。兩個處理器共有8個內核。目前實時模型所導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控制器局域網絡（CAN）通信板卡以及模擬和數字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現場可編程門陣列（FPGA）模塊。我們使用NI LabVIEW FPGA軟件開發FPGA程序。 另外，我們還選用了一個集成有故障模擬的信號調節單元，減少了試驗臺復雜的接線，并且不會無故降低信號質量。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前負載，以及實時系統與實時模型的相關信息。 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雜，人們對于實時設備模型在能力和細節建模程度方面的要求也越來越高。特別地，現代車輛中的激勵器運行時除了僅僅開與關之外，還越來越受到制約。為此，我們選用ITI SimulationX。 測試系統的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，配備可鎖定和自解鎖差速器、四輪驅動，在連接ABS和轉向傳感器的情況下轉彎時所用的車輪調速轉向模型 制動和ABS系統 輪胎壓力監控系統 確保實時性能 與專為實時能力設計的預配置黑盒子解決方案相比，為具體任務定制或者從其他實時模型得出的物理模型一般不能執行實時任務。它們的實時性能由建模人員在開發模型時保證。 模型的實時能力通過兩種主要機制實現。一方面，采用獨一無二的、徹底符號式的預處理。在代碼生成期間，SimulationX對整個系統模型的物理和數學方程式進行自動預處理。通過解答并代入方程式，簡化在一次計算中多次出現的表達式，以及完全除去不影響指定接口信號的數量的計算（例如內部結果變量），來簡化系統。所有這些都不需要用戶參與；通過與其他代碼優化措施配合，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，即使模型實現了相對較高的采樣速率，整個傳動系統模型也只需要20%的計算能力。 傳動系統模型范例 傳動系統中的組件模型按照相關ECU的I/O要求，以不同的細節程度實現。從發動機的角度，基于地圖的模型足以精確地描述發動機的行為。然而，噴油系統執行器要求提供從控制輸入到位置傳感器以及參數化的精確設備建模。 在本項目中，我們用實際噴油控制系統驗證了此模型部分。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參數化。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，齒輪箱執行器不僅可以以開/關方式，而且以中間步驟方式運行。，剩余傳動系統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振動。根據轉向角度不同，每個車輪的曲線半徑均不同，因此在轉彎期間，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，傳動系統模型還處理制動系統模型所提供的制動扭矩，并將其運用到車輪上。傳動系統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的一個處理器內核上運行，周期為0.1 ms。因此，模型所占的處理器內核計算資源不到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境。由于KMW 內部開發需要多種回歸試驗，出于質量和成本原因，自動化試驗是必不可少的。 對于此應用，我們使用TraceTronic ECU-TEST的試驗自動化環境。此工具用來指定、實施、執行和記錄試驗結果。 通過在相關試驗環境中改變不同開發階段的信號映射，試驗案例的可重用性節約了用戶的寶貴時間，試驗采用可視化設計，無需編輯源代碼。 ECU-TEST中實現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上的相關響應等低水平試驗，到故障管理和故障確認等相互作用及復雜功能的試驗。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 生產先進、高度保護、相對輕質，并且具有多種新功能的多用途車輛只復雜的聯網ECU來生產。車輛制造商負責整個系統，包含車輛、內部開發ECU，以及從外部供應商處獲得的ECU。為了很好的完成任務，制造商會對所有的ECU進行集成和聯合試驗，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境所組成的定價優化、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靈活性的優勢。憑借環路中的實時模型，AMPV的ECU網絡能夠快速驗證，并提供優化整個系統的集成方法。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，并行執行所有三個領域的開發活動。NI VeriStand的簡短學習曲線幫助我們快速建立與運行HIL試驗系統�？蓴U展環境確保我們能夠擴展HIL試驗系統，以滿足將來的需要。NI VeriStand的重新配置非常簡便，這樣當試驗要求發生變化，例如，當信號和模型需要重新定線以進行調試時，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能夠滿足所需的定時要求，并能在將來進行試驗擴展。 
圖1：這些裝甲車輛超過現行防護標準，并實現良好的重量優化
圖2：組合式HIL試驗臺
圖3：系統示意圖
圖4：系統數據交換
圖5：實時傳動系統模型 欲了解此案例分析的更多信息，請聯系： René Müller TraceTronic 電話： +49 (0) 351 – 20 57 68 27 傳真： +49 (0) 351 – 20 57 68 99 Heidelberger Str. 24 01189德累斯頓 作者信息: Andreas Abel ITI Webergasse 1 01067 Dresden Dresden 德國 Tel: T +49 (0) 351 – 260 50 0 Fax: F +49 (0) 351 – 260 50 0 abel@itisim.com |
