NI基于PC技术的控制器开发“V”模式在汽车ECU开发中的应用实例

1. 引言

当今汽车行业，法规对安全性、动力性、舒适性、排放等提出了日益严格的要求，而这些性能又很大程度受ECU性能和质量的影响。因此在汽车中，ECU不仅数量持续上升，其功能也不断增强。在汽车中，分单个ECU系统和多个ECU互联系统，前者如安全气囊ECU，后者如发动机管理系统(EMS) ECU。EMS涉及数千个参数和多个电子设备，而且这些参数之间存在数据共享和传递，需要通过不同的汽车总线将各个电子设备互联，以形成车载网络，并完成复杂的智能控制和故障诊断。ECU复杂性和功能性不断增加，为确保最终产品质量，需要通过自动化测试手段来减少从定义、分析、设计到实现不同产品周期环节的人为失误。此外，还面临如何在最短的开发周期内以最经济的成本将产品推向市场的挑战。

2. 控制器开发“V”模式

经过多年探索，业界普遍采用基于计算机模型的控制器开发“V”模式，如图1所示。该模式可以很大程度地减少反复过程、缩短开发周期，以节省成本。该模式除应用于汽车用ECU开发外，也已成功应用到航空、国防、“白色”家电、医疗设备、工业过程控制等领域。下面按照“V”模式图横向对应的先后环节顺序作简单阐述。

 

图1 控制器开发“V”模式图

系统定义：根据控制系统设计要求，完成设计规范，如控制算法、控制对象参数等。往往需要以往的设计经验、试验数据作参考。

设计、仿真：根据控制系统定义，将整个系统在计算机软件环境下实现，即对控制器的控制逻辑、控制对象环境进行建模仿真，以帮助设计者在先期就对系统指标、误差等进行快速评估。仿真工具主要有NI LabVIEW、The MathWorks, Inc. Simulink®、MATRIXx等。其中LabVIEW允许设计者在图形化环境中借助提供的控制仿真模块对控制系统进行建模和动态仿真，又可集成第三方软件开发的模型和代码，包括The MathWorks, Inc. Simulink®、MSC CarSim，甚至C代码。MATRXx则提供一整套系统设计仿真工具，尤其适合开发和管理大型的、复杂的模型。

快速原型：在这里，快速控制原型（Rapid Control Prototype，简称快速原型）概念区别于机械制造中根据CAD数据自动构建物理模型的快速成型技术。因为软件仿真不能完全体现实际的动态环境，需要开发一个控制器硬件原型用以在真实环境下验证算法，即将控制器模型下载到一个实时硬件平台，并通过I/O连接至真实环境中的传感器、执行器并进行测试，该过程即快速原型，也常称为软件在环。选用实时硬件平台是为了仿真的时效性、确定性和稳定性。

代码生成与软件测试：控制器模型在通过快速原型环节验证之后，将该模型自动或手工生成C代码或其它支持类型的代码，并下载到ECU的微控制器。并对所产生的目标代码进行测试。

硬件在环：硬件在环(Hardware in the Loop)是指将已下载目标代码的ECU通过I/O连接至先前建立的环境模型(硬件在环仿真器)，并测试该ECU在各种工况下的功能性和稳定性。硬件在环是一个闭环的测试系统，可重复地进行动态仿真；可在试验室里仿真夏季和冬季的道路试验，无需真实的测试环境组件，节约测试成本；可进行临界条件测试和模拟极限工况，如发动机水温和油温、ABS试验时车速和道路附着系数，没有实际风险；并可通过软件(模型)、硬件(故障输入模块)来模拟开路、与地短接、ECU引脚间短接等错误，以及模拟传感器、执行器出错情况。

系统标定和测试：在完成关键的硬件在环之后，将修正后的控制器连接至真实I/O环境，并进行台架试验、道路试验，直至最后生产出厂。

以上控制器开发“V”模式符合国际汽车行业标准(ASAM/ASAP)，已在诸多著名汽车电子厂家中获得成功。快速原型和硬件在环是控制器开发的重要环节，目前针对这两个环节的解决方案普遍面临成本高的不足。NI根据控制系统的复杂度和I/O数目，为快速原型和硬件在环测试提供不同的、低成本的解决方案。比如对于面向控制算法相对简单、I/O数目相对较少的车身电子控制的ECU，可选择CompactRIO平台进行ECU快速原型和硬件在环测试；针对较为复杂的动力总成系统和主动悬架系统，可选用PXI实时系统平台。上述平台均具有开发时间短、通用性、可扩展性、低成本的特点；并在国内外获得了广泛应用，如MicroNova，Wineman Technology，KGC，Averna，KPIT Cummins等成功地为整车厂提供了解决方案；在国内，如上海大众某车型全车多个ECU硬件在环测试是在NI PXI平台下实现的。

下面举两个例子来说明NI软硬件平台在控制器快速原型和硬件在环中的应用。