发动机ECU 硬件在环(HIL)测试方案

发动机ECU硬件在环(HIL)测试解决方案
一、 方案概述
1.1 HIL测试系统概述
随着汽车电子技术的不断革新和迅速发展，汽车电控单元数量的不断增加，汽车电子产品和技术在各种车型中得到了越来越多的应用，其中，汽车电子系统成本约占到整车的30%，而汽车故障的产生多发生在汽车电子系统，因此，从安全性、可行性和成本上考虑，硬件在回路(HIL)测试已经成为电控系统开发和应用中非常重要的一环，减少实车路试，缩短开发时间并降低成本的同时提高电控系统的软件质量，降低电控系统开发和应用的风险。

HIL(Hardware‐in‐the‐Loop)硬件在回路测试系统是以实时处理器中运行的实体仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与被测电控系统连接，对被测ECU进行全方面的、系统的测试。

系统原理如图1.1中所示。

图1.1 HIL测试系统原理
HIL测试系统的特点：
●模拟被控对象的各种工况，包括极限工况；
●模拟复杂的故障模式，快速复现故障模式；
●将部分测试过程从传统试验台架中分离；
●自动化测试并生成测试报告，缩短测试周期；
●易于维护和扩展测试能力。

1.2SimCar硬件在环测试系统简介
SimCar硬件在环(HIL)测试系统是用于测试电控单元功能、系统集成和通信的一套完整的硬件在环仿真测试设备，可用于汽车、航空、兵器、工程机械等领域。

基于SimCar硬件在环测试系统针对用户的被控对象进行建模仿真，并将其运行于跟控制器闭环工作的实时系统中，实现对汽车电控单元的复杂测试。

SimCar硬件在环仿真系统主要由三部分组成：仿真硬件平台、试验管理软件及车辆实时仿真模型。

系统组成示意图如图1.2中所示：
图1.2 SimCar测试系统组成
SimCar支持的电控单元硬件在环测试：
发动机ECU；
自动变速器TCU；
混合动力整车控制器HCU；
纯电动汽车VCU；
蓄电池管理系统BMS；
汽车防抱死制动系统ABS；
车身控制器BCM；
二、 基于SimCar的发动机ECU测试解决方案
2.1 发动机ECU测试系统原理
如图2.1发动机ECU测试系统原理中所示，在试验定义中，上位机试验管理软件运行于
PC机环境中，通过PC机通信口与SimCar实时仿真平台通信，汽车实时仿真模型运行在仿真平台的实时处理器中，运行于处理器中的模型I/O通过仿真平台中的集成的信号调理、负载仿真及功率驱动等硬件与实际的发动机ECU构成闭环连接，实现发动机ECU的系统测试。

SimCar 硬件平台通过仿真传感器和执行器来构建一个虚拟的汽车发动机本体，硬件平台可以监测到执行器工作信息并传递给实时仿真模型，同时也可以模拟各种硬件故障等等。

通过SimCar测试系统将发动机ECU控制器与HIL测试系统构成一个虚拟的发动机测试环境，通过测试工具及相应的测试用例实现发动机控制器各种功能及工况的测试，并生成测试报告。

图2.1 发动机ECU测试系统原理
2.2 发动机ECU测试系统构成
如图2.2中所示，通过图中所示构成的一个虚拟的发动机测试环境，对EMS控制器的开发和应用中各个阶段进行测试，并通过试验管理软件实现自动测试，生成测试报告。

发动机ECU测试系统主要包括以下部分：
SimCar实时硬件仿真平台；
试验管理软件；
发动机实时仿真模型。

图2.2 EMS测试系统构成
2.2.1SimCar实时硬件仿真平台
基于SimCar的发动机ECU测试实时仿真平台，能够模拟ECU控制器的各种传感器信号，检测执行器参数信号，仿真发动机模型实时运行环境，对ECU控制器信号提供驱动、放大、滤波、保护、特殊信号的处理等功能。

硬件平台主要包括以下几个部分：
●实时处理器及IO板卡；
●故障注入与负载仿真单元；
●信号调理与特殊信号处理单元；
●便携式机箱、接插件及断路测试单元；
2.2.1.1实时处理器及IO板卡
SimCar实时仿真单元用于车辆仿真模型的运行，通过硬件接口IO接受控制器发出的各种控制信号，通过模型运算后由IO输出各种传感器信号给控制器，从而与控制器构成一个闭环的系统。

它是由嵌入式实时处理器及各种硬件板卡构成的一个实时硬件系统。

2.2.1.2故障注入与负载仿真单元
故障注入与负载仿真单元的作用是模拟常见电气故障，模拟真实负载以构成闭环测试环境。

通常故障注入和负载仿真单元由若干故障注入板卡与若干负载仿真板卡。

◆故障注入模块(FIU)
故障注入板卡性能指标及功能
●通道数量根据被测控制器灵活定制；
●每个通道在故障状态时可以最大提供持续10A左右的电流；
●每个通道可以模拟对电源短路、对地短路、开路故障状态、任意两管脚间短路。

板卡由上位机发送指令，FIU根据上位机的指令控制继电器动作执行相应的故障模式。

◆负载仿真板卡
负载仿真板卡性能指标及功能
●负载仿真，可以接真实负载或模拟负载；
●通道数量与电流可根据被测控制器灵活定制；
●LED显示负载的工作状态。

板卡提供了多种灵活选择方式，模拟负载通过跳线选择可以选择为电阻或者是电阻与电感串联的模式，还可以通过外部端口接入真实负载。

2.2.1.3信号调理及特殊信号处理单元
信号调理单元的主要作用是：
●信号调理，通过信号调理板卡配置需要调理的通道，然后在信号调理模块上对信号进
行调理(信号驱动、放大、滤波、保护等)；
特殊信号处理，比如线性氧传感器信号模拟、电流型轮速信号输出调理等。

2.2.1.4断线测试盒
断线测试盒的外观示意图如上图所示，左边为输入连接器，与面板上的黑色端子相连，右边为输出端子，与面板上的红色端子相连，用香蕉插头跨接输入和输出。

可以很方便的将测试仪器连接到面板上的香蕉插头，在不中断信号连接的情况下进行测试。

也可以将香蕉插头拔开，直接从输出端子处引入激励信号或者对输入输出信号进行静态测试，例如测试SimCar仿真平台发出的传感器信号是否正确。

系统连接如下图中所示：
2.2.2试验管理软件
如图2.3中上位机试验管理软件界面所示，为了方便测试，利用配套的试验管理软件，开发和设计便于用户操作和监控的界面，主要有三类界面。

图2.3 试验管理软件界面
2.2.2.1基本操作界面
进行功能测试而设计的界面，包含选择车辆的不同控制方式，自动驾驶模式的驾驶循环选择，非自动驾驶模式的油门开度，制动踏板，档位选择及离合器的开合。

同时包含车辆及动力总成各部件的主要运行数据，如车速，转速，电池的SOC等等。

2.2.2.2实验台监控界面
为测试硬件通讯是否正常，对CAN信号及IO信号进行实时监控，便于各IO和CAN信号的统一管理。

2.2.2.3故障注入界面
对故障仿真的开关设置，即FIU的控制开关界面。

2.2.3被控对象实时仿真模型
2.2.
3.1发动机模型
汽车发动机模型是华海科技开发专业用于HIL测试的实时仿真模型，华海科技基于用户提供的技术文档，对模型进行二次开发、参数化和校正。

模型结构组成如图2.4所示。

图2.4 发动机模型
华海科技开发的汽车发动机模型包含以下系统模块：
◆气路模型：中冷器、增压器等
◆油路模型：低压油路模块、高压共轨模块、喷油器模块等
◆发动机本体模型：气缸、扭矩输出、摩擦扭矩
◆发动机冷却系统：水温，单/双回路冷却系统
◆发动机电气网络
◆离线软ECU模块
如图2.5所示，发动机模型是基于Matlab/Simulink软件开发，模型包含了详细的气路、油
路和缸体等子系统模型，通过接口模型与发动机控制器构成闭环控制。

图2.5 基于simulink的发动机模型
2.2.
3.2接口模型开发
◆执行器信号采集和传感器信号输出
针对不同的传感器及执行器特性，准确反映物理量与电气信号的转化关系，并通过设置相应的板卡和通道来实现与各控制器的正常信号传递。

◆CAN信号的输入输出
基于客户提供的CAN通讯协议（CAN的数据库dbc文件），对CAN通道进行相应的配置，正确发送和接受各信号，并将信号引入模型。

2.3相关工程服务
✓硬件资源的配置
✧控制器管脚定义分配
✧线束及跳线配置
✧故障仿真配置
✧负载仿真配置
✓模型集成调试
✧实验数据预处理
✧实验数据优化
✧模型功能调试
✓特殊信号处理
✧喷油点火信号
✧曲轴凸轮轴信号
✧……
✓试验管理软件配置
✧测试界面DEMO开发等
✓测试需求整理，测试案例
✧测试需求分析
✧测试案例制作
三、 总结
本系统是基于SimCar便携式硬件在环测试设备，结合发动机仿真模型，搭建的一套针对发动机ECU的硬件在环测试系统，它能够模拟发动机ECU所需的各种传感器信号，采集ECU 的控制信号，模拟CAN网络节点等。

具备以下技术优势：
模拟发动机的各种工况，包括极限工况；
模拟发动机的各种故障，快速复现故障模式；
自动化测试并生成测试报告，缩短测试周期；
减少台架试验，缩短测试时间，降低测试成本；
桌面便携式设备，使用方便，价格合理；
易于维护和扩展测试能力。

因此，基于SimCar桌面式测试平台的HIL测试系统解决方案不仅能够缩短ECU控制器的产品开发周期，而且更能够在设计阶段对ECU的功能进行全面的测试和验证，在众多整车厂、零部件商的车型和产品研发过程中得到了广泛应用。

关于华海科技
北京九州华海科技有限公司（简称华海科技）是一家专业提供电控系统解决方案的高科技公司，由多名电控开发领域的资深工程师共同组建，公司成立于2011年，地处国家级高新技术科技园区——北京电子城科技园。

公司致力于为汽车、机械、教育等行业的用户提供适用于电控系统完整生命周期的解决方案。

公司立足于自主研发，在嵌入式开发系统、新能源电控系统等领域拥有多项核心自主知识产权。

公司自成立以来，专注于电控开发技术，秉承卓越和创新的精神，凭借不断提升的开发工具、全方位的技术服务与领先的解决方案，赢得了众多用户的一致好评。

华海科技具备的核心技术能力包括：
控制器硬件设计开发
全自动代码生成
实时操作系统集成开发
标准协议栈开发
汽车动力学建模
电控系统集成测试
各种开发工具集成服务。