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基于“V”字型的開發(fā)模式

 精誠至_金石開 2018-04-09

引言

當今汽車行業(yè),法規(guī)對安全性、動力性、舒適性、排放等提出了日益嚴格的要求,而這些性能又很大程度受ECU性能和質量的影響。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。在汽車中,分單個ECU系統(tǒng)和多個ECU互聯(lián)系統(tǒng),前者如安全氣囊ECU,后者如發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS) ECUEMS涉及數(shù)千個參數(shù)和多個電子設備,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電子設備互聯(lián),以形成車載網(wǎng)絡,并完成復雜的智能控制和故障診斷。ECU復雜性和功能性不斷增加,為確保最終產(chǎn)品質量,需要通過自動化測試手段來減少從定義、分析、設計到實現(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)周期內以最經(jīng)濟的成本將產(chǎn)品推向市場的挑戰(zhàn)。

控制器開發(fā)“V”模式

經(jīng)過多年探索,業(yè)界普遍采用基于計算機模型的控制器開發(fā)“V”模式,如圖1所示。該模式可以很大程度地減少反復過程、縮短開發(fā)周期,以節(jié)省成本。該模式除應用于汽車用ECU開發(fā)外,也已成功應用到航空、國防、“白色”家電、醫(yī)療設備、工業(yè)過程控制等領域。下面按照“V”模式圖橫向對應的先后環(huán)節(jié)順序作簡單闡述。

1 控制器開發(fā)“V”模式圖

系統(tǒng)定義:根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求,完成設計規(guī)范,如控制算法、控制對象參數(shù)等。往往需要以往的設計經(jīng)驗、試驗數(shù)據(jù)作參考。

設計、仿真:根據(jù)控制系統(tǒng)定義,將整個系統(tǒng)在計算機軟件環(huán)境下實現(xiàn),即對控制器的控制邏輯、控制對象環(huán)境進行建模仿真,以幫助設計者在先期就對系統(tǒng)指標、誤差等進行快速評估。仿真工具主要有NI LabVIEW、The MathWorks, Inc. Simulink?、MATRIXx等。其中LabVIEW允許設計者在圖形化環(huán)境中借助提供的控制仿真模塊對控制系統(tǒng)進行建模和動態(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)設計仿真工具,尤其適合開發(fā)和管理大型的、復雜的模型。

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)別于機械制造中根據(jù)CAD數(shù)據(jù)自動構建物理模型的快速成型技術。因為軟件仿真不能完全體現(xiàn)實際的動態(tài)環(huán)境,需要開發(fā)一個控制器硬件原型用以在真實環(huán)境下驗證算法,即將控制器模型下載到一個實時硬件平臺,并通過I/O連接至真實環(huán)境中的傳感器、執(zhí)行器并進行測試,該過程即快速原型,也常稱為軟件在環(huán)。選用實時硬件平臺是為了仿真的時效性、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)驗證之后,將該模型自動或手工生成C代碼或其它支持類型的代碼,并下載到ECU的微控制器。并對所產(chǎn)生的目標代碼進行測試。

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)是一個閉環(huán)的測試系統(tǒng),可重復地進行動態(tài)仿真;可在試驗室里仿真夏季和冬季的道路試驗,無需真實的測試環(huán)境組件,節(jié)約測試成本;可進行臨界條件測試和模擬極限工況,如發(fā)動機水溫和油溫、ABS試驗時車速和道路附著系數(shù),沒有實際風險;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引腳間短接等錯誤,以及模擬傳感器、執(zhí)行器出錯情況。

系統(tǒng)標定和測試:在完成關鍵的硬件在環(huán)之后,將修正后的控制器連接至真實I/O環(huán)境,并進行臺架試驗、道路試驗,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)標準(ASAM/ASAP),已在諸多著名汽車電子廠家中獲得成功。快速原型和硬件在環(huán)是控制器開發(fā)的重要環(huán)節(jié),目前針對這兩個環(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。比如對于面向控制算法相對簡單、I/O數(shù)目相對較少的車身電子控制的ECU,可選擇CompactRIO平臺進行ECU快速原型和硬件在環(huán)測試;針對較為復雜的動力總成系統(tǒng)和主動懸架系統(tǒng),可選用PXI實時系統(tǒng)平臺。上述平臺均具有開發(fā)時間短、通用性、可擴展性、低成本的特點;并在國內外獲得了廣泛應用,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,如上海大眾某車型全車多個ECU硬件在環(huán)測試是在NI PXI平臺下實現(xiàn)的。

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

應用舉例一:Yamaha摩托車控制系統(tǒng)快速原型測試

 美國Drivven公司承擔為Yamaha YZF-R6 摩托車開發(fā)發(fā)動機控制系統(tǒng)原型項目。項目要求:毫秒級的控制器模型循環(huán)時間;微妙級的噴油和點火正時;并考慮摩托車空間受限、設備供電等因素。

Drivven在經(jīng)過市場調查之后,最終選擇NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)平臺。該平臺包括實時嵌入式控制器、內置FPGA芯片的機箱以及內置信號調理的模塊。整個系統(tǒng)具有小型、堅固、9-35V直流供電,適應復雜的測試環(huán)境和有限的測試空間。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心,但設計者借助LabVIEW FPGA模塊,無須硬件描述語言和相關專業(yè)知識,便可在WINDOWS操作系統(tǒng)上用圖形化方法開發(fā)自定義的FPGA邏輯代碼并下載。該平臺又是一個開放的平臺,既可選用現(xiàn)成的針對不同信號類型的模塊,又可自己開發(fā)自定義模塊。Drivven根據(jù)項目需求,開發(fā)了模數(shù)混合模塊、燃料噴射模塊、氧傳感器模塊、可變磁阻和霍爾模塊等。

通過LabVIEW實時模塊編程實現(xiàn)高性能賽車常用的速度密度法和節(jié)氣門開度速度法組合控制策略。速度密度法是指利用發(fā)動機轉速和進氣密度來計算各缸進氣量,系統(tǒng)驅動噴油器提供所需的油量,以滿足各種節(jié)氣門狀態(tài)下的理論空燃比要求和在節(jié)氣門全開情況下的最大扭矩需求,應用于低轉速、低負荷工況。節(jié)氣門開度速度法是指根據(jù)兩者參數(shù)值在二維圖表上查找空氣質量經(jīng)驗值。

CompactRIO原型平臺布置在該摩托車上,進行試驗,系統(tǒng)和程序界面如圖2、圖3所示。試驗結果表明:發(fā)動機轉速可高達15500RPM;能很好地實現(xiàn)噴油、點火正時等策略。同時,實時控制器可記錄下試驗過程中包括進氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節(jié)氣門位置、噴油初始角、點火提前角等參數(shù)。Drivven公司總裁Carroll G. Dase表示:“和過去類似項目相比,利用CompactRIO平臺從過去兩人一年的工作量并耗費50萬美金下降到三人一個月的工作量且只需花費15000美金?!?span lang="EN-US" xml:lang="EN-US">           

 

2 發(fā)動機控制器硬件原型          

 

3 發(fā)動機原型上位機測試界面

應用舉例二:MicroNova發(fā)動機硬件在環(huán)測試

德國MicroNova公司面臨在短時間內開發(fā)緊湊的、高精度的板卡用于汽車發(fā)動機管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測試,要求能夠仿真2缸、4缸、6缸和12缸完整的測試環(huán)境的項目需求。

基于對PXI平臺模塊化、靈活性的了解,MicroNova選擇了NI PXI平臺,包含PXI-8196實時嵌入式控制器、PXI-7831 FPGA板卡、PXI-6723模擬輸出板卡以及PXI CAN模塊。其中,PXI-7831是能提供模擬的輸入輸出、數(shù)字的輸入輸出、PWM生成和測量的標準板卡,并可通過LabVIEW FPGA編程實現(xiàn)曲軸、凸輪軸、爆震、點火等非標準信號。通過LabVIEW仿真接口工具包集成已有的在Simulink環(huán)境下開發(fā)的仿真器模型,協(xié)同TESIS DYNAware提供的發(fā)動機模組來構建虛擬的測試環(huán)境,并運行于PXI實時控制器中。MicroNova開發(fā)了信號調理模塊,對信號大小、I/U、U/IU/R等進行調理,以滿足類似ECU電流在休眠模式下為幾個μA,而工作模式時可達50 A的需求。此外,系統(tǒng)還包括Magneti Marelli ECU、故障輸入模塊和真實負載。

整個硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的軟件架構如圖4所示,包括FPGA目標、實時系統(tǒng)和上位機三個部分,其中上位機為用戶操作界面和自動化測試管理程序。該系統(tǒng)具有小型化、高精度、開發(fā)時間短、低成本的特點。不僅可直接使用已有的模型、接口板等;又可根據(jù)系統(tǒng)需求進行模塊替換或擴展;板載FPGA便于實現(xiàn)靈活的可重復配置,但無需復雜的軟件硬件知識;通過PXI背板總線實現(xiàn)數(shù)量眾多的I/O在不同的總線速度下同步。

 

4 MicroNova發(fā)動機硬件在環(huán)測試軟件架構

該平臺已成功用作BMW12缸直噴發(fā)動機的硬件在環(huán)仿真器;還可用于其它不同系列發(fā)動機,如:含可變氣門驅動、可調式凸輪軸控制、直噴技術的V-126缸直列發(fā)動機;帶渦輪增壓、空氣中冷4缸直列共軌柴油機;用于摩托車的進氣管噴射、2個爆震傳感器和雙節(jié)氣門的V-2發(fā)動機。

總結:

目前,基于PC技術的控制器開發(fā)“V”模式已成為汽車ECU開發(fā)一套行之有效的方法。對于其中快速原型和硬件在環(huán)兩個關鍵環(huán)節(jié),設計者可根據(jù)ECU I/O數(shù)量和控制邏輯的復雜度選擇對應的CompactRIO平臺或PXI平臺,且整個系統(tǒng)是在圖形化設計工具LabVIEW下實現(xiàn)的,無需復雜的軟硬件知識;均具有成本低、開發(fā)時間短、可擴展性、通用性等特點。

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