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 石秀勇

（同济大学）

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 石秀勇

（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。

1 前言

汽车控制器的开发普遍采用基于V型的现代设计开发流程，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。

2 发动机ECU HIL平台

发动机ECU HIL平台的主要作用是对ECU进行以下测试：将ECU控制的汽油机瞬态模型下载到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、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。

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。

图2 中，NI PXI-8110控制器采用2.26GHz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PXI7833R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；NI9151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；PXI6704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。

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；

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。

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数据和定时资源的接口，使得自定义设备能够像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labview软件自带的Custom Device Template Tool生成一个项目工程，包括Custom Device API library、Custom Device library、XML文件、Build Specifications等4部分。Custom Device API library包含了与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。

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。

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FPGA芯片中40M时钟滴答计算的曲轴转角值degree per tick，见图5。

3.1.3 FPGA VI子程序

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°。

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。

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相位关系产生时序信号。

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。

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)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。

3.3 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开关来模拟故障，主要包括仿真开路、管脚间短路(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。

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]。

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

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。

5 结束语

利用Veristand软件为发动机ECU HIL测试平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。

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.

2NI VeriStand 2010 Custom Device Developer's Guide, National Instruments White Paper.http://www.ni.com/whitepaper/12712/en

3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.

4Chris Washington,Jordan Dolman.Creating Next Generation HIL Simulators with FPGA Technology.IEEE,2010.

5Automotive Engine Simulation(AES)Library for HIL, NationalInstrumentsWhitePaper.https://decibel.ni.com/ content/docs/DOC-5684.

6HIL Automotive Engine Simulation Reference Example.http: //zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6187.

7XCP and CCP Master Add-on for NI VeriStand.http://zone. ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6374.

8NI VeriStand Add-on-NI Fault Insertion Units.http://zone. ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6248.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2013年12月14日。

Design of Host Program for Engine ECU HIL System Based on NI PXI Platform

Ni Jimin,Li Xiaojin,Shi Xiuyong
（Tongji University）

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.

Engine,ECU HIL system,Host pc,PXI platform,Program development

发动机ECU HIL系统上位机PXI平台程序开发

U464.12

：A

：1000-3703（2014）03-0054-05