硬件在环仿真策略说明

第四种:美国ADI公司的ADRTS实时动态工作站。该实时动态工作站由PC计算机、智能FO接口、基于VME总线连接的处理器组成，由于处理器是并行于VME总线上，因此可以进行扩展。
基于xPC的发动机ECU硬件在环仿真系统研究
硬件在环仿真系统一般由监控模块、处理器模块和接口模块组成:
(l)监控模块主要是PC电脑，监控模块的功能是作为监控软件的上位机，显示系统运行的各种信号的参数，进行数据的处理，调整模型运行的工况以及对整个仿真系统进行控制;
(3)目标代码生成:将快速控制原型设计好的控制系统模型生成C语言或者其他语言的代码，下载到实时计算系统以供进行实时仿真。
(4)硬件在环仿真:硬件在环(Hardware in theL。叩)环节是把己经烧录有模型代码的ECU和实际的传感器、执行器等通过FO接口连接，测试该ECU在各种工况下的功能性和稳定性。
生成模型代码的步骤如下:
(l)设置仿真步长为定步长(Fixed-Step):打开simulation Parameters对话框，选中solver项，在solver options的Type中选择Fixed-step，设置步长为0.0015;
(2)配置RTW(Real Time Workshop)参数:选中RTW项，点击System target file后面的Browse，将会出现很多类型的系统目标文件格式，对xPC一Target的实时仿真，选择的是xPctarget.tic格式的系统文件;
xPC-Target测试系统，也叫双机测试系统。该系统由宿主机运行监控软件，目标机运行仿真模型，两者之间通过RS232串口或者以太网进行数据通讯。宿主机可以是一般的PC机，目标机是能运行实时内核的计算机，可以用xPC系统盘或者软盘进行引导，让计算机运行到其操作系统(实时内核)中去。这种系统的优点是结构简单，但部分硬件和实验软件需要自己选型和开发。该系统的组成原理
2.工作原理
双机系统的工作原理和流程如下:首先在宿主机上利用Matiab/Simulink建立需要研究的对象的模型，然后生成能在目标机实时内核中运行的代码，下载到事先建立好的目标机实时操作系统中运行;运行的数据通过接口模块传输给待测Ecu，待测Ecu根据这些数据以及ECU内烧写好的控制程序计算发动机模型的喷油脉宽以及点火提前角等数据，通过接口模块传递给发动机仿真模型，以此循环。
测试人员还可以通过鼠标对PC机监控面板上的参数进行修改以实现发动机运行工况的改变，并且在显示器屏幕上可以实时跟踪发动机ECU的输出结果变化，然后对该输出结果的合理性及汽车动力性和经济性所产生的影响进行分析；
1.德国的dsPAcE公司研发的硬件在环测试系统
德国的dsPAcE公司研发的硬件在环测试系统，该系统主要面向实时仿真，采用了基于CAN总线的分布式并行处理器结构，以高速处理器板卡作为高速运算控制单元采集系统输出数据，处理器问通过实时I／0板卡通信，将采集信号反馈给实时模型，从而实现了MATLAB／Simulink的完全无缝连接
宿主机：主要功是运用Matlab/Simulink建立发动机电控系统的仿真模型，生成模型代码，把它下载到实时仿真控制器中，运行计算过程中数据的显示、处理等程序，实现人机交互。
目标机：采用PC兼容机，有一个以太网接口用于和宿主机通信，有多个PCI插槽用于连接接口板卡，实现数据的输入输出。兼容BIOS的主板，嵌入xPC实时内核，运行模型代码，实现模型和待测ECU的数据交换。
5)发动机电控系统模型
发动机电控系统模型是用于实现对发动机控制系统控制功能的图形化建模，发动机ECU控制逻辑、控制策略开发等，其主要功能是根据需要开发的特定发动机电子控制器的控制需求，对所有的发动机控制策略建立集成的图形化模型，并能自动编译成相应的离线仿真代码，在PC机上进行离线仿真测试，对集成模型进行离线工作过程的反复仿真改进，以验证集成模型中各电子执行器在联合工作状态下各自的工作状态和工作时序是否准确，其控制信号是否合理等。
(5)标定、测试:通过硬件在环仿真环节修正的发动机控制器连接到真正的发动机台架上的传感器、执行器以及生产完成汽车的发动机上，进行台架试验和道路试验，对数据进行标定，最后完成ECU的设计开发。
第一种:自主研发。工程师根据自身的需求，在软硬件方面自行设计:软件方面运用常见的软件开发工具进行设计;硬件方面一般自行购买己经商品化的处理器和接口模块，比如美国Nl公司的cRI09004嵌入式实时控制器和cRIO FO接口板卡，组装构建自己所需的硬件在环测试系统。清华大学设计了一套多处理器的硬件在环仿真系统，各个处理器共享存储器。采用PC机作为宿主计算机为硬件在环仿真提供了方便易用的开发平台;该系统采用一个32位的浮点DSP处理器来计算发动机动态模型，具有较快的计算速度;用80C552做芯片，设计信号智能接口板，提高了系统的实时性能。各处理器之间采用双口RAM进行高速大数据量的数据交换，实现了真正的并行处理。采用VisualC++编程软件设计开发监控界面。
(2)接口模块，主要是单片机或者数据采集卡，其功能是产生或者采集发动机模拟、脉冲信号;
(3)处理器模块，主要硬件是具有高速运算能力的单片机或者PC，其功能是作为目标机，运行用Matlab/Simulink等软件建立的模型，生成并下载到处理器的代码。
1.硬件需求分析
如前所述，一个硬件在环仿真系统的硬件包括主机，实时仿真器，接口电路三部分。主机用来建立模型以及下载模型代码，在没有专门的监视器的系统中还作为监控上位机。实时仿真器需要能运行由主机生成的模型代码，并且考虑到实时性的需求;硬件在环系统的接口通信有三个部分，一是主机和实时仿真器之间的数据通信，二是实时仿真器和信号接口系统的数据通信，三是接口系统和待测ECU之间的通信，数据通信的速度对实时性也有影响。
Fra Baidu bibliotek3.
选用长安之星Q465发动机作为本文发动机电控系统模型开发原型，基于相应的标定试验数据建立了电控系统中发动机和传感器的模型；根据发动机控制器的控制策略，建立相应的控制器模型及喷油、点火模型。然后对离线模型进行测试，初步验证了模型的准确性
发动机模型都是以长安之星Q465汽油机为原型而建立的，并且在后面的验证实验中，各参数的对比数据也是基于该汽油机的台架试验标定值而进行的。根据汽油机的结构特点所建立的模型主要由进气系统模型、燃油系统模型及曲轴动力输出模型三部分组成
在硬件在环仿真实验中，利用发动机仿真模型表现实际发动机的特性，将发动机模型化，从而建立一个虚拟的测试环境，为发动机ECU的开发、测试提供一个平台。在该平台上，可以模拟车辆运行的各种复杂工况，满足发动机ECU控制功能复杂的需求。同时极大提高质量，即使在高速仿真时，也可以方便地访问实时模型、状态及参数，通过鼠标拖放的方式进行快捷的图形化编程；统一高效的图形用户接口，快速迭代；可以测量所有的电气信号，包括总线信号，可以分阶段的进行系统测试，包括对未开发的ECU进行总线仿真，能在不同的ECU变型结构之间快速切换。
为了保证控制系统能够实时、直接的读取发动机的传感器信号和执行器输出信号，需要相应的通讯模块来进行连接。由于在对ECU进行测试时，需要接入的输入输出信号较多，为了避免因信号接入错误所带来的影响，因此选用集成好的I／O板卡来连接仿真模型和控制系统实物之间的状态信号和控制信号间的传递。
4)负载模块
负载模块主要用于为数字或PWM输入通道提供可由软件控制的上拉下拉负载，可兼容阻性、容性和感性负载。模拟负载模块采用灵活结构、通道数、负载形式、驱动方式可灵活配置，可提供电磁阀模拟
接口板卡：ECU和接口系统传递的数据有模拟信号、数字信号以及CAN总线信号，因此接口板卡要求能实现这三种信号形式的数据通信。实现仿真模型计算结果的信号转换与输出，接受ECU的控制信号并传给仿真模型。I/O模块包含隔离、转换电路，信号调理功能，并可直接与工业传感器或执行机构相连。
本文中，实时处理器计算仿真模型，通过I/O接口向ECU输出计算机的数据，ECU根据接收到的数据判断发动机所处的状态，根据控制策略，向执行器输出控制信号。I/O接口模块向ECU输出的信号有模拟信号和数字脉冲信号两种，模拟信号主要有节气门位置传感器、进气温度传感器、冷却水温度传感器、进气压力传感器、氧传感器、转速传感器;数字脉冲信号主要有凸轮轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号。ECU向I/O模块输入的信号为数字信号，分别是喷油脉宽信号和点火提前角信号，ECU中CAN总线的数据有点火、空调请求等开关信号、蓄电池电压信号等。因此，选用的接口模块要保证足够的模拟数字输入输出和CAN数据的通信。
一个系统的实时性和系统的处理能力、计算能力和数据传输速度密切相关，要提高系统的实时性能，就必须从这三个方面入手，提高系统的数据传输速率，加快系统的计算速度。采用采样频率高、数据传输速度快的数据采集卡，可以提高系统的数据传输速率;采用具有高频的和大缓存的CPU的单片机处理器，可以提高系统对数据的处理计算能力。宿主机和目标机之间的数据传输，以太网数据传输的速度远大于串口数据通讯的速度;目标机和数据采集卡之间的数据传输，取决于数据采集卡的接口模式。常见的数据采集卡接口模式有PCI、ISA等总线模式，在一般的工业领域，PCI接口模式的数据传输速率较快，较为常用。
汽车发动机ECU硬件在环测试系统设计与实现
仿真测试法按照实际情况进行测试，将实际系统中结构复杂或不便于模型开发的部分设备用实物替代和计算机相互连结，而对易控制的部分进行仿真，确保了整个测试工作实际运行的可靠性和安全性。运用仿真测试技术不仅可以在ECU开发之后对其控制策略进行验证和故障诊断，也可以在ECU开发之前即对其进行测试，从而使得测试成为从设计开发直至运行应用的一个重要组成部分。通过仿真测试可以帮助在没有充分把握的条件下对特殊的设计替代方案作出早期决策，保证了ECU在将来应用环境中的有效运行。此外，仿真测试还有许多其他优点，利用仿真测试可以模拟在真实环境中难以达到的极端条件，即使在寒冷的冬季，也可以模拟出夏季的测试环境；也可以通过用模型来取代真实的系统，从而在实验室就可以完成相应的测试，因此在各种测试方法中仿真测试具有最高的真实度，并且缩短开发周期、加快了产品上市时间，降低了开发成本以及相关的维护费用。
2.
2)实时处理器模块
在仿真过程中，系统实时仿真模型的运算量非常大，因此对系统仿真模型的实时性要求非常严格。并且为了保障控制系统能够实时、直接的读取发动机的传感器信号，实时处理器模块应具备对发动机各传感器输出信号进行相应的滤波、整形处理和刖D转换功能，使传感器转换为能被主处理器识别的标准电平信号。
3)I/O板卡模块
3.硬件在环仿真系统建立
xPC实时内核制作
模拟/数字信号接口设计
CAN总线信号接口设计
模型代码生成
建立完成发动机电控系统之后，需要把mdi格式的模型转换为能在实时内核中运行的模型代码。在早期版本的Matlab中，生成代码的工具是RTW(Real TimeWorkshop)。现在版本的Matlab把RTW改名为Code Generation。需要注意的是，在生成模型代码时，由于xPc-Target不支持可变步长的仿真，因此需要把仿真步长设置为定步长，模型代码的生成是通过Simulation ParameterS仿真设置窗口进行设置的.
第二种:德国dSPACE公司设计的dSPACE硬件在环仿真测试系统。该测试系统硬件方面由具有高速计算能力的处理器和FO板卡组成，并通过PHS总线连接进行数据交换传输。软件方面，由于其是基于MATLAB/Simulink开发的，因此能和MATLAB/Simulink联合，由MATLAN/Simulink建立的模型可以在软件本身的平台上生成代码下载到dSPACE中。具有实时性高、系统完整度好等优点。
该模式由五个阶段组成，每个阶段的作用如下:
(l)功能设计:根据汽车发动机的原理和实际驾驶要求，设计发动机ECU的控制系统，制定规范。这个阶段需要经验的积累和试验数据等作为参考。
(2)快速控制原型:根据功能设计环节制定的发动机控制系统，用软件设计控制系统模型，实现控制系统的控制算法、控制逻辑，经过模型仿真后，对控制系统的指标和误差进行评估。