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基于NIPXI平台的发动机ECUHIL系统上位机程序开发


汽车电子 · ·

基于 NI PXI 平台的发动机 ECU HIL 系统上位机程序开发
倪计民 李晓锦
(同济大学 )
基于 NI PXI 实时硬件平台 , 利用实时配置软件 Veristand 搭建了发动机 ECU HIL 系统的上位机程序 , 实 【摘要】 现了对 ECU 控制算法验证 、 参数标定和电气故障测试等功能 。

利用 LabVIEW FPGA 模块开发的自定义设备程序 , 既 可实现上位机对测试数据的组织和管理 , 又可模拟发动机时序信号 、 采集 ECU 的喷油点火 PWM 信号 ; 利用 ECU 测 量与标定工具包中的自定义设备 XCP and CCP Master , 实现了对 ECU 测量参数和标定参数的读写 , 进而进行初步标 定 ; 利用基于 PXI 2510 开关板卡的自定义设备 , 实现了 ECU 电气故障的测试 。 试验结果表明 , 该上位机程序能够满 足硬件在环仿真测试的实时性要求 。

石秀勇

主题词: 发动机

ECU HIL 系统

上位机

P XI 平台

程序开发

中图分类号: U464.12

文献标识码: A

文章编号: 1000-3703(2014)03-0054-05

Design of Host Program for Engine ECU HIL System Based on NI PXI Platform
Ni Jimin, Li Xiaojin, Shi Xiuyong
(Tongji University ) 【Abstract 】Based on NI PXI real-time hardware platform, a host program for engine ECU HIL system is established

with real -time software Veristand for ECU control algorithm validation, parameter calibration and electric fault test. A custom device program developed with labview FPGA module provides an effective way for organization and management of test data in the host computer, simulation of engine sequence signal and acquisition of the PWM signal of injection and ignition; the custom device XCP and CCP Master included in ECU and calibration toolkit can read and write ECU measurement parameter and calibration parameter and thus ECU could be preliminarily calibrated; with a custom device program based on the switch card-PXI 2510, ECU electric faults could be tested. Test results show that the host program can satisfy the real-time requirement of HIL simulation test.

Key words:Engine, ECU HIL system,Host pc, PXI platform,Program development

1

前言
汽车控制器的开发普遍采用基于 V 型的现代

接口卡 (CAN 、LIN 、FlexRay) 以及基于 PFGA 技术的 可重配置 I/O 板卡能够满足汽车绝大多数信号的接 口需求 ;同时 ,作为专门为硬件在环测试任务开发的 实时配置软件 Veristand , 支持从 LabVIEW 软件和 第三方环境中导入控制算法 、仿真模型 ,可以实现快 速配置实时 I/O 、激励文件 、数据记录等任务 。 本文基于 NI PXI 硬件搭建了 ECU HIL 测试平 台 , 利用 Veristand 软件设计了该平台 的 上 位 机 程 序 ,并对程序进行了试验验证 。

设计开发流程 , 包括建模及离线仿真 、 快速原型开 发 、 目 标 代 码 生 成 、 硬 件 在 环 (HIL ) 仿 真 测 试 、 实 车 试验与标定等 5 个环节 。 其中 , 硬件在环仿真测试 是关键环节 ,主要负责 ECU 的控制算法验证和电气 故障测试 ,可大大缩短 ECU 开发周期并降低成本 。
[1]

NI PXI 平 台 在 硬 件 在 环 测 试 方 面 具 有 软 硬 件
系统集成一体化的优势 。 首先 , 装载实时操作系统 (如 ETS)的 PXI 实时控制器可保证仿真模型的实时 运行 ; 其次 , 丰富的模拟和数字 I/O 板卡 、 汽车总线 — 54 —

2

发动机 ECU HIL 平台
发动机 ECU HIL 平台的主要作用是对 ECU 进
汽 车 技 术

汽车电子 · · 行以下测试 : 将 ECU 控制的汽油机瞬态模型下载到 与上位机的通信 , 另一方面也可以搭载 ECU 标定信 息 ,实现在上位机中对 ECU 进行标定 。

PXI 实时控制器中 , 完成 ECU 控制算法的验证 ; 在 V 型开发流程的硬件在环仿真阶段对一系列参数进
行初步标定 , 以减少后期试验台架的标定工作 ; 利用 故障注入模块模拟一系列的电气故障 , 按照相应的 测试标准对 ECU 进行全面的故障测试 。 发动机 ECU HIL 平台硬件结构主要包括 ECU 、

2.3

PC 上位机 PC 上位机主要实现以下功能 : a. 硬件在环测试过程中的数据监视 、 数据记

录 、 预警报警及测试激励 ;

NI PXI 平台 、PC 上位机等 3 部分 , 如图 1 所示 。 计 算机通过以太网与 PXI 控制器进行通信 ,ECU 通过 线束与 PXI 模拟数字板卡以及 CAN 接口卡连接 。
PC 上 位 机 NI PXI 上 位 机

b. 采集和改写 ECU 的测量参数和标定参数 , 对 ECU 进行初步的标定 ; c. 在故障注入模块中按照测试标准配置一系 列的电气故障 , 测试 ECU 的可靠性 。 上位机测试环境利用 Veristand 软件进行配置 。 Veristand 是一个基于配置的实时测试软件 ,内部引擎
是控制整个系统 、执行主机和用户界面之间通信定时

ECU

的执行核心,负责执行模型运行 、硬件 I/O 和系统定义 文件 (System Definition File)中指定的其它测试任务 。 系统定义文件 包 含 了 执 行 Veristand 引 擎 任 务 的 设 置选项 , 如目标机配置 、 硬件 I/O 配置 、 模型导入 、 接 口映射 、 自定义设备导入等 , 文件部署后运行在 PXI 控制器中 ;上位机监视界面为工作区(Workspace),运 行时可编辑操作,其部署后运行在 PC 上位机中。

图1

ECU HIL 平台示意

2.1

ECU 及发动机模型 ECU 选用某公司生产的 112 针产品 ,ECU 控制

的 发 动 机 为 enDYNA 软 件 开 发 的 6 缸 汽 油 机 瞬 态 模型 , 能够根据采集的油门 、 制动 、 挡位等信号按照 相应的控制算法控制发动机喷油 、 点火 , 并对电子节 气门进行反馈调节 。

2.2

NI PXI 平台 NI PXI 平台的硬件在环结构如图 2 所示 。
NI PXI 1042Q SH68-C68-S 线 缆

3

上位机程序开发
为了实现上位机的 3 种功能 , 采用在 Veristand

软件中开发自定义设备 (Custom Device ) 的方式 , 将 特定的功能添加至 Veristand 引擎 。 由于创建自定义 设备的 LabVIEW 模板库中包含针对 Veristand 数据

NI 9151 扩 展 机 箱 PXI PXI PXI NI PXI 8110RT PXI Controller 2510 7833R 6704 8513 series FIU DIO AO CAN 68Pin Connector

NI 9426 DI

NI 9401 DIO

NI 9474 DO

NI 9505

和定时资源的接口, 使得自定义设备能够像

图2

NI PXI平台硬件在环结构

图 2 中 ,NI PXI-8110 控制器采用 2.26 GHz 四核 处理器 ,内搭载 ETS 嵌入式实时操作系统 , 能够保证 模型的实时运行;利用 PXI 7833R 多功能 RIO 模块提 供的可编程 FPGA 芯片和 LabVIEW 软件中的 FPGA 模块可配置实时性要求较高的信号, 如发动机时序信 号、发动机喷油和点火 PWM 信号、电子节气门反馈控 制模拟信号等;NI 9151 扩展机箱中的 I/O 模块用来调 理 7833R 板卡信号 ,如增大通道驱动电流 、提升通道 电压等 ,以便直接与 ECU 进行电气连接 ;PXI 6704 为 模拟输出卡,负责发动机模型中模拟信号的输出 ,如进 气歧管压力 、 进气歧管温度 、 油门踏板位置等 ; 开关 卡 PXI 2510 为 ECU 提供一系列人为制定的电气故 障 , 以便测试 ECU 的电气可靠性 ;PXI 8513 双端口

Veristand 引擎中的本地任务一样运行 [2]。 本文 利 用 LabVIEW 软 件 及 FPGA 模 块 设 计 了 一套 ECU 自定义设备程序 , 能够精确模拟发动机时
序信号 , 并实时采集 ECU 喷油 、 点火信号 。 另外 , 利 用 NI 公 司 已 经 提 供 的 XCP and CCP Master 和 NI

FIU 自定义设备进行 ECU 标定和电气故障测试 。 3.1 ECU 自定义设备 ECU 自定义设备程序实现的功能包括 : a. 根据发动机模型功能需求 , 将 PXI 7833R 以及 cDAQ 扩展机箱的输入 、 输出接口信号进行统
一封装管理 , 便于参数配置及后期维护 ;

b.

利用 FPGA 模块模拟发动机曲轴 、 凸轮轴

时序信号 , 采集喷油 、 点火 PWM 信号 , 并 对 电 子 节 气门进行反馈控制 。 自定义设备的程序开发框架如图 3 所示 。 利用

CAN 接口卡适用于 NI-XNET 驱动 ,一方面可直接导 入 CAN 数据库或自定义 CAN 信号 , 以便实现 ECU
2014 年
第3期

labview 软件自带的 Custom Device Template Tool 生 成 一 个 项 目 工 程 , 包 括 Custom Device API library、
— 55 —

汽车电子 · ·

Custom Device library 、XML 文件 、Build Specifications
等 4 部 分 。 Custom Device API library 包 含 了 与

b.

配置发动机曲轴传感器齿轮参数和凸轮轴

传感器齿轮参数 , 曲轴信号齿轮是 60-2 齿 , 凸轮轴 信号齿轮为 4 齿。 同时, 将发动机转速值转换以

veristand 的 数 据 和 定 时 资 源 相 联 系 的 API 函 数 ; Custom Device library 包 含 自 定 义 设 备 configuration and RT Engine VIs ;XML 文件包含引导 Veristand 下 载 、 调 用 和 发 布 自 定 义 设 备 的 定 义 ;Build Specifications 为 自 定 义 设 备 编 译 发 布 的 source distributions , 开 发 完 成 后 发 布 为 LLB 库 文 件 的 格 式 , 图 3 中无阴影部分文件为最终自定义设备打包
的内容 。
Custom Device Ivproj

FPGA 芯 片 中 40M 时 钟 滴 答 计 算 的 曲 轴 转 角 值 degree per tick ,见图 5。

图5

曲轴和凸轮轴的参数配置

3.1.3
XML Required to run the device Custom Device API.Lvlib Custom Device .lvlib Build Specifications

FPGA VI 子程序

Contains all resources for developing the custom device

Initialization VI Runs when device is 1st added to sys explorer Main Page Runs when user clicks on device in sys explorer RT Driver Runs on execution target after configured and deployed

Engine.llb Require to run the custom device

FPGA VI 实现的功能为 : a. 发动机时序信号是控制发动机喷油 、 点火 的基准时间信号 , 一般发动机 1 个循环的喷油持续
时间为几毫秒, 所以对仿真精度要求较高。 利用

Configuration.llb Require to run the Custom device

LabVIEW FPGA 模块仿真发动机时序信号能够满足 精 度 要 求 , 当 发 动 机 转 速 为 1 000 r/min 时 , 曲 轴 转
角的精度能够达到 0.000 15° 。

图3

自定义设备程序开发框架

AES (Automotive Engine Simulation ) 库函数为汽 车发动机 HIL 仿真提供了一系列的 FPGA IP 核 , 利
用 函 数 中 的 Crank Angle and Outout.vi 来 模 拟 曲 轴 传感器信号 , 并配置曲轴齿轮的齿数 、 缺齿数及缺齿 偏移量等参数 ; 利用 Cam Angle and Output.vi 来模 拟凸轮轴传感器信号 , 并配置凸轮轴齿轮的齿数 、 齿 宽 [3~6], 这 2 个 VI 在 FPGA 中并行执行 , 共同构成了 发动机时序信号 , 如图 6 所示 。

生成自定义设备程序框架后 , 对 Custom Device

library 中的 VI 进行配置 , 自定义设备库函数主要包
括配置 VI 程序 、RT Driver VI 子程序和 FPGA VI 子 程序等 3 部分 。

3.1.1

配置 VI 程序 利 用 Veristand API 函 数 (Initialization VI 和

Page VI 等 ) 对 通 道 、 属 性 、 层 次 关 系 和 页 面 进 行 配
置 。 通道用来在自定义设备和 Veristand 引擎之间交 换数据 ; 属性用来在自定义设备内部传递配置数据 和状态信息 ; 树形层次结构配置用来组织和管理设 备接口通道 ; 页面用来显示参数配置的界面 。

3.1.2

RT Driver VI 子程序 RT Driver VI 实现的功能为 : a. 程序框架是单循环结构 , 采用 RT FIFO 实

现自定义设备与上位机的通信 , 采用异步的执行方 式 , 见图 4 。
图6 发动机时序信号仿真

利用示波器对仿真的发动机时序信号进行测 试 , 配置参数及试验结果见图 7 和图 8 。 其中 , 周期 短的脉冲为曲轴传感器信号 , 周期长的脉冲为凸轮 轴传感器信号 。 结果表明 ,2 个信号能够按照设置的
图4

RT Driver VI 子程序

相位关系产生时序信号 。
汽 车 技 术

— 56 —

汽车电子 · · 数据库文件中的定义 , 对内部 ECU 观测变量和标定 变量进行读写 。 工具包中包含了供上位机 Veristand 软件调用的自定义设备 XCP and CCP Master , 上位 机作为主设备与从设备 ECU 进行通信 。 利用 PXI 8513 ( 双接口 CAN 卡 ) 实现上位机与

ECU 的通信 。 标定 ECU 时 ,将 2 种用途的 CAN 数据
帧区分到 2 个 CAN 接口 ,一种用于 ECU 和上位机的
图7 曲轴和凸轮轴信号配置

信息交流 , 另一种用于搭载标定信息 。 该试验采用

CCP 高速主从协议 , 利用 “CTO”(命令传输对象 )和 “DRO”(数据采集对象)来区分主 、从通信 ,CTO 用于向 从设备传输命令,DRO 用于从从设备获取连续数据 。
在上位机中 , 将 XCP and CCP Master 自定义设 备添加至 veristand 软件系统定义文件中 , 选取标定 的数值型变量 、 一维变量 、 二维变量和需要观测的测 量参数 [7]用于定制标定界面 。 主设备采用基于 CAN 总线的标定协议 CCP, 并指定描述 ECU 结构和通信 参数的 A2L 文件 , 选择 CAN 2 端口搭载标定信息 [7]。 在工作区中 , 定制需要标定和测量的参数并与相应

图8

发动机时序测试信号

的控件连接 。 标定时 , 根据测量变量在线调节标定 参数并选取最优值 , 图 10 为一维标定参数的标定 。

b.

定时循环负责采集 ECU 点 火 PWM 信 号 ,

然后计算出 PWM 的起喷角 Start Angle 、 停喷角 End

Angle 、持续喷射角 Angle Duration 和持续喷射时间 ;
定时循环采集 ECU 的 PWM 喷油控制信号 , 然后计 算出 PWM 的脉宽时长 。 图 9 为发动机点火 PWM 采 集程序 。

图 10

一维标定参数的标定

ECU 电气故障测试 为测试 ECU 的电气性能可靠性 , 在 NI PXI 平 台 与 待 测 ECU 之 间 插 入 故 障 注 入 单 元 FIU (Fault Insertion Units ), 通过实时目标机板卡的内部继电器 3.3
开关来模拟故障 , 主要包括仿真开路 、 管脚间短路
图9 发动机点火 PWM 采集程序

(pin-to-pin) 、对电池短路 、对地短路故障 , 如图 11 所
示 。 继电器开发最大可支持 2A 的运载和切换电流 。
HIL Simulation System FIU Channel ECU Device Under Test (DUT )

所 有 的 VI 配 置 完 成 后 , 将 FPGA VI 编 译 成

LabVIEW 可识别的 Bitfile 文件 , 供 RT Driver VI 调 用 。 最后 , 将自定义设备的项目程序打包为 LLB 库 文件 , 以便后续在 veristand 软件中调用 。 3.2
发动机 ECU 标定 利用 NI 公司提供的 ECU 测量与标定工具包对

Channel

GND VBATT Fault Buses

ECU 进行初步标定 。 该工具包基于通用测量校准协 议 (XCP) 和 CAN 校准协议 (CCP) , 能根据 ASAM(.A2l)
2014 年
第3期

图 11

故障注入单元

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汽车电子 · · 利用基于 PXI-2510 开关板卡开发的自定义设 备 NI FIU 来为 ECU 模拟故障 。 PXI-2510 开关板卡 的 68 路通道配有 2 条故障总线 (busA 和 busB ), 每 条故障总线有 4 个可选输入端 。 在 Veristand 软 件 中 , 通 过 选 择 故 障 通 道 (Fault Channel ) 和 故 障 总 线 (Fault Bus ) 的状态来配置继电器开关 , 从而实现故 障的自定义输入 。 图 12 定义了一个 Channel 66 和

Channel 67 之间短路的故障 , 以此类推 , 可以根据相
应的测试要求 , 配置多组自定义故障 [8]。
CH66 DUT66

图 14

发动机怠速工况下各缸喷油时长及点火提前角

5
CH67 DUT67

结束语
利用 Veristand 软件为发动机 ECU HIL 测试平

VBATT No Connect No Connect

a0 a1 a2 a3 busA

台设计了上位机程序 , 实现了 ECU 控制算法验证 、 参 数 初 步 标 定 和 电 气 故 障 测 试 的 功 能 。 利 用 CCP 协 议 实 现 对 ECU 测 量 参 数 和 标 定 参 数 的 读 写 , 从 而对 ECU 的关键性参数 ( 如点火提前角 、 空燃比 等 )进 行 初 步 标 定 ,为 后 期 的 试 验 标 定 提 供 基 础 标 定数据 。 利用故障注入单元 FIU , 为待测模拟常见 的电气故障 , 既可以通过手动配置实现单个测试 , 也可以通过程序测试序列实现连续性测试 。 以发动 机怠速工况为例 , 对 ECU 控制算法进行验证 , 试验 结果表明该上位机程序能够满足硬件在环测试实 时性的要求 。
参 考 文 献

GND No Connect No Connect

b0 b1 b2 b3 busB

图 12

两通道短路故障模拟示意

上述故障为手动配置 , 也可以利用 Veristand 软 件自带的激励文件或第三方测试软件 ( 如 Teststand ) 实现多组故障的连续测试 。

4

试验测试
1

刘 巨 江 , 周 文 华 , 何 正 胤 , 等 . 基 于 模 型 的 发 动 机 ECU 开 发 . 汽车工程 ,2007 (11 ):938~941.

以某发动机为例 , 测试上位机程序是否能够满 足硬件在环测试要求 。 在 Veristand 上位机程序中 ,将 油门和制动都设置为 0,挡位处于 “P”状态 ,使发动机 处于怠速工况 。 此时 , 发动机转速约为 1 200 r/min , 车速为 0, 见图 13 ; 各缸喷油 、 缸内点火次序遵循 “1-5-3-6-2-4 ” 的顺序 , 如图 14 所示 。 试验结果表 明 ,ECU HIL 平台能够按照上位机的操作对上位机 进行相应的反馈 , 功能设计正确 。 另外 , 在发动机加 速 、 减速工况 , 通过调节油门 、 制动和挡位 , 发动机转 速和车速随油门踏板的开度实时变化 , 表明 ECU 控 制算法能够满足硬件在环测试实时性的要求 。
6 7 8 4 5 3 2

NI VeriStand 2010 Custom Device Developer's Guide, National Instruments White Paper.http://www.ni.com/white paper/12712/en
张永光 , 吴锋 , 方正 , 等 . 发动机 HILS 系统曲轴转速与凸轮 相 位 信 号 模 拟 . 浙 江 大 学 学 报 ( 工 学 版 ),2011 (7 ):1221~

1226. Chris Washington, Jordan Dolman. Creating Next Generation HIL Simulators with FPGA Technology .IEEE,2010. Automotive Engine Simulation content/docs/DOC-5684. HIL Automotive Engine Simulation Reference Example.http: //zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6187. XCP and CCP Master Add-on for NI VeriStand.http://zone. ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6374. NI VeriStand Add-on - NI Fault Insertion Units.http://zone. ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6248.
( 责任编辑

(AES) Library for HIL,

National Instruments White Paper.https://decibel.ni.com/

文 楫)

图 13

发动机怠速工况下的参数显示

修改稿收到日期为 2013 年 12 月 14 日 。 汽 车 技 术

— 58 —


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