硬件在环仿真系统的软硬件基础

1998年(第27卷)第6期小 型 内 燃 机No.6(Vol.27)1998

硬件在环仿真系统的软硬件基础

清华大学　朱辉　北京轻型汽车有限公司　王丽清　北京理工大学　程昌圻

(北京 100084)

摘要　本文总结了硬件在环仿真系统的硬件结构特点和软件开发环境特点,介绍了硬件在环仿真系统软硬件在国内外的发展状况,提出了软件在环仿真与硬件在环仿真相结合的设计思想并给出了实现方法。

关键词　硬件在环　仿真　软件　硬件

1　前言

硬件在环仿真系统(Hardware2In2the2 Loop Simulation System,简称HIL SS)是在计算机软硬件技术发展到一定程度之后才出现的一种集多种技术于一体的综合系统。该系统在其体系结构、软硬件构成及开发环境、开发方法方面都有自己的特点。

1.1　硬件特点

硬件在环仿真的实时性和硬件在环的要求决定了其硬件系统具有以下特点:

(1)高速运算能力,以满足实时性或严格的时间要求;

(2)高速而适应面广的I/O接口,以适应控制器硬件及传感器、执行器不断更新换代;

(3)体积小、轻便,适于在不同的实验室及随车使用;

(4)可扩展性好,以满足控制器控制项目的增加及控制复杂性不断提高的要求。

1.2　软件开发环境

作为重要的研究开发工具,它应具有的作用决定了其软件系统应具有以下特点:

(1)模型编程过程简单;

(2)灵活而友好的人机交互能力;

(3)强大的数据记录及后处理能力。2　HIL SS软硬件系统发展状况

HIL SS的软硬件特点决定了该系统应采用由多个微处理器组成的多处理器结构,而不是使用大型超级计算机。

自80年代中期以来,用于实时仿真与硬件在环仿真的软硬件系统,在发展过程中出现了以下三种形式。

1.第一种形式

由开发人员通过购买商品化的处理器模板组成多处理器系统,专用接口模板自主设计。典型结构如图1所示[1,2]

。

图1　普通多处理器系统结构

2.第二种形式

第二种形式是ADI专门为实时动态仿真设计的计算机系统———ADR TS(Applied Dynamics Real2Time2Station)。它由高速计算发动机和高速I/O系统组成[3]。其典型结构如图2所示。

3.第三种形式

第三种形式是dSPACE公司生产的面

向实时仿真和高速I/O 处理的硬件系统,其

典型结构如图3所示[4]

。

图2

　ADRTS 系统硬件结构

图3　dSPACE 高速处理系统结构

3　发动机ECU 硬件在环仿真系统的国内外研究状况3.1　国外发展状况

到目前为止,查到的文献介绍的系统有两种。第一种是德国勃朗施威格工业大学电子测量技术和基础电子技术学院的威施明(U.Varchmin )教授等人开发的汽车信号发生器(简称MOSIG )。第二种是ADI 公司开发的汽油机ECU 硬件在环仿真系统。下面分别介绍。

1.MOSIG

90年代第一次发表文章[5]简要介绍了MOSIG 的功能及其硬件结构。它是一个既

可与PC 机通过RS -232串行通讯口联机使用,也可独立使用的试验设备。它的CPU 是一个16位MCS -96系列单片机,计算能力有限。在当时仅仅是作为一个汽车信号发生器来介绍。

1994年在《M TZ 》上发表文章[6]再一次介绍MOSIG 。由文章看来,MOSIG 的硬件

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结构没变,只是增加了PC机上软件的功能。

它所使用的发动机模型是基于三维特性图的

准线性模型。通过查表与插值来计算发动机

的输出参数,并且它可以在PC机上利用数

学表达式来产生所需要的信号形状。

MOSIG是用于汽油机ECU开发的。

2.ADI公司研制的发动机ECU硬件在

环仿真系统

对ADI公司的动态仿真计算机ADR TS

于第2节已作介绍,其功能组成、硬件结构与

信号流图如图4所示

。

图4　ADI的ECU硬件在环仿真系统信号流图

该系统的特点是:

(1)硬件功能强大,采用多处理器并行处

理系统,处理速度快;

(2)发动机模型采用非线性模型。

此系统也是针对汽油机的。

3.2　国内发展状况

1997年北京理工大学成功地研制出柴

油机ECU硬件在环仿真系统[7]。本节简要

给出该系统的总体描述。

(1)设计目的

为柴油机ECU软硬件的开发与测试提

供性能优良的开发工具,把以前ECU开发阶

段需要在发动机试验台上所做的大量工作转

换到计算机室,通过ECU硬件在环仿真来完42

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成。这样既省人力、物力与实验费用,又大大缩短了开发周期。

(2)HIL SS 的组成

HIL SS 是一个由PC 机作为宿主计算机的紧密耦合多处理器并行系统,整个系统由三个子系统组成:发动机模型实时计算系统、接口管理系统和监控系统(见图5)。每个子系统由一个独立的处理器来完成

。

图5　HIL SS 的组成

(3)ECU 和HIL SS 的联接关系

HIL SS 对ECU 来说,如同一个真实的

发动机。HIL SS 不仅能对ECU 输出的控制信号作出响应,而且能输出ECU 所需的发动机状态信号。HIL SS 的信号输入输出能力如下:

1.能模拟转速传感器输出发动机的转速

信号,信号周期误差为±

μs ;2.能模拟齿杆或滑套位置传感器输出相

应频率的方波信号,信号周期误差为±1

μs ;3.当齿杆或滑套位置传感器输出为电压

信号时,HIL SS 也能按要求输出电压信号,信号误差为信号幅值的1/256;

4.能测量电压信号,测量误差为满量程

的1/1024;

5.能测量PWM 信号的脉宽,测量误差

为±1

μs ;6.能测量频率信号的周期,测量误差为

±1

μs 。(4)系统功能

HIL SS 具有以下功能:

1.在ECU 硬件在环情况下能进行发动

机稳态工况与过渡工况的实时仿真;

2.能进行ECU 及齿杆位移执行器和齿杆位置传感器在环的实时仿真;

3.能选择发动机状态参数和控制参数进行图形化和数字化实时显示;

4.能对仿真结果进行有选择的存储,并可进行离线处理;

5.也可以把ECU 以模型形式集成于仿

真系统构成软件在环仿真系统;

6.能对仿真结果数据文件及结果曲线进行打印输出。

(5)系统特点

HIL SS 具有以下特点:

1.人机界面友好,操作方便。设计了基

于Windows 的多窗口多视类风格的图形化用户界面(监控系统),其中的多通道数字示波器使用户可以实时观察仿真结果,有选择地进行数据的实时存储,离线处理功能为用户提供了优良的图形绘制功能。

只要把ECU 的输入输出信号与HIL SS 的输入输出信号按正确的对应关系接好之后,开机运行监控软件即可进行各种仿真测试工作。

2.良好的可扩展性。在系统的软硬件设计过程中,完全采用模块化、结构化设计技术,充分保证系统软硬件具有良好的可扩展性,可以方便地接受新技术的应用,能适应ECU 不断变化的需要。

3.可靠性高。信号线错误连接及软件操

作错误都不会导致硬件损坏和软件损坏。4　HI LSS 与MAT LAB/SIMU L INK 的结合

MA TLAB/SIMUL IN K 是Math Works

公司推出的一种性能优良的图形式动态系统

仿真软件包。它已经成为国际控制界最流行的软件。除了具有传统的交互式编程之外,

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