不同類型動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素

在動(dòng)力總成控制模塊（PCM）上執(zhí)行HIL測(cè)試對(duì)系統(tǒng)提出了新的要求。由于其高度專業(yè)化特性，PCM除了依賴通用微控制器外，還依賴于專用協(xié)處理器。例如，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)PCM必須處理特定的高速發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)，例如轉(zhuǎn)動(dòng)位置、爆震、氣缸壓力和精確執(zhí)行器控制[2]。 PCM測(cè)試需處理這些獨(dú)特的I/O和協(xié)處理器。因此，PCM測(cè)試系統(tǒng)，如待測(cè)組件，使用相應(yīng)復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)專用協(xié)處理器來(lái)提供足夠的I/O復(fù)雜性。此外，盡管公司會(huì)不斷發(fā)布新的PCM硬件和軟件，但測(cè)試系統(tǒng)通常需要具有多年使用壽命。高度靈活性便成為測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)最基本要求

如今，F(xiàn)PGA是滿足這些需求的理想器件，其高性能和靈活性非常適合滿足當(dāng)今先進(jìn)PCM快速變化的測(cè)試需求[3]。 FPGA具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如并行處理、設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性、超快的引腳到引腳的響應(yīng)時(shí)間、設(shè)計(jì)可移植性和終身可升級(jí)性。所有這些優(yōu)勢(shì)都有助于構(gòu)建強(qiáng)大的自適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。但是，F(xiàn)PGA編程通常只有非常專業(yè)的工程師才懂，但這類工程師非常稀缺。高級(jí)別抽象的FPGA編程軟件的出現(xiàn)以及易于訪問(wèn)的現(xiàn)成FPGA庫(kù)極大地提高了部署基于FPGA的測(cè)試系統(tǒng)的可行性。

內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)

從本質(zhì)上說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)ECU的作用是讓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，ECU通過(guò)精心設(shè)計(jì)的編碼器輪提供的傳感器反饋來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，如圖4所示的曲軸輪，并激活噴油器和火花塞來(lái)產(chǎn)生電能。

圖4. 現(xiàn)在的曲軸輪采用復(fù)雜的pattern，如圖中所示的pattern非常獨(dú)特且不斷變化。

內(nèi)燃機(jī)ECU HIL測(cè)試儀的用途除了測(cè)量踏板等用戶輸入之外，還用于測(cè)量和生成這些燃燒信號(hào)。 表1顯示了典型的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU信號(hào)。

表1. 在開(kāi)發(fā)測(cè)試儀時(shí)應(yīng)考慮這些常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU信號(hào)。

圖5顯示了一個(gè)典型發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試儀的框圖（不包含負(fù)載和開(kāi)關(guān)）。 測(cè)試儀包含了在CPU上運(yùn)行的實(shí)時(shí)OS，用于執(zhí)行低中速（1 kHz-10 kHz）建模。 CPU與模擬、數(shù)字和總線通信等獨(dú)立I/O結(jié)合，可讓低中速信號(hào)隨著模型的執(zhí)行進(jìn)行同步更新。不管對(duì)于哪類ECU測(cè)試系統(tǒng)，這些都是核心組件，但為了滿足內(nèi)燃機(jī)ECU測(cè)試的特定要求，還需要增加一個(gè)用于實(shí)例化角度處理單元（angle processing unit，APU）的FPGA協(xié)處理器。


圖5. 典型的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試儀框圖包含了在FPGA上進(jìn)行實(shí)例化的APU協(xié)處理器。

APU用于執(zhí)行高速、高保真的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)仿真。轉(zhuǎn)動(dòng)仿真是一個(gè)接受速度輸入值的過(guò)程，隨著時(shí)間的推移，0到360度連續(xù)發(fā)布轉(zhuǎn)動(dòng)位置的仿真值。由于ECU編程為相對(duì)于其轉(zhuǎn)動(dòng)位置控制發(fā)動(dòng)機(jī)，因此驗(yàn)證ECU時(shí)，需要在測(cè)試儀中模擬轉(zhuǎn)動(dòng)位置并進(jìn)行與轉(zhuǎn)動(dòng)位置相關(guān)的測(cè)量。

圖6. 模擬可變磁阻傳感器輸出的旋轉(zhuǎn)信號(hào)。


圖7. 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU HIL閉環(huán)數(shù)據(jù)流

對(duì)于內(nèi)燃動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)ECU HIL系統(tǒng)時(shí)，另一個(gè)重要考慮因素是燃油噴射器驅(qū)動(dòng)的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方法之一是將真實(shí)執(zhí)行器納入測(cè)試系統(tǒng)，就像將它們置于真實(shí)車輛中一樣。 ECU經(jīng)過(guò)電流測(cè)量信號(hào)調(diào)理卡連接到噴油器，并為測(cè)試系統(tǒng)的FPGA提供電流測(cè)量值。這可允許FPGA測(cè)量流經(jīng)噴油器的電流，以確定何時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉電磁閥（圖8）。


圖8. 柴油燃料噴射器的電流和電壓曲線表明必須測(cè)量電流才能精確地捕獲正確的時(shí)機(jī)

對(duì)于汽油噴射器，一個(gè)更簡(jiǎn)單的替代方案是直接測(cè)量ECU的數(shù)字輸出，以檢測(cè)噴射器何時(shí) 被命令打開(kāi)和關(guān)閉。但是，測(cè)量通過(guò)實(shí)際噴射器的電流可得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)?打開(kāi)電磁閥需要一定量的激活電流。此外，如果實(shí)際負(fù)載沒(méi)有連接到噴射器輸出，大多數(shù)ECU會(huì)出現(xiàn)診斷故障。