"利用LabVIEW FPGA模塊在NI PXI-7831R可重配置I/O板卡的FPGA上編程，不但使我們的系統(tǒng)性能超過了規(guī)格要求，還節(jié)省了90%的硬件搭建成本。"—— Matthew Viele, National Instruments

挑戰(zhàn):
開發(fā)一款發(fā)動機仿***器，用于發(fā)動機控制模塊的硬件在環(huán)（Hardware-in-the-loop, HIL）測試。

解決方案:
使用NI LabVIEW，LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊以及PXI-7931R可重配置I/O板卡完成實時仿***，并對I/O信號實現(xiàn)精確、靈活的定時與同步。

HIL仿***要求
作為工業(yè)能源控制科技的世界巨頭，Woodward Industrial Controls公司與發(fā)動機、渦輪OEM制造商緊密合作，致力于生產(chǎn)高效的控制系統(tǒng)。Woodward的技術(shù)不僅提供了道路速度載荷控制，還提供了多種控制系統(tǒng)，被廣泛用于排放系統(tǒng)、發(fā)電機、壓縮機、渦輪增壓器的控制，以及柴油/天然氣發(fā)動機、燃氣/蒸汽渦輪、發(fā)電系統(tǒng)、微型燃氣輪機和燃料電池的點火控制。為了測試發(fā)動機控制器的新生產(chǎn)線，我們需要建立一個系統(tǒng)，能夠仿***發(fā)動機運行中的所有輸入和輸出信號。

因為我們測試的發(fā)動機控制器能夠持續(xù)地調(diào)整點火、燃料噴射以及其它發(fā)動機性能有關(guān)的輸出，所以其測試系統(tǒng)必須能夠以實時閉環(huán)的方式根據(jù)發(fā)動機參數(shù)的變化不斷作出調(diào)整。這些參數(shù)包括歧管壓力、空氣流量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機溫度。測試系統(tǒng)還必須能夠檢測發(fā)動機的爆震，控制渦輪增壓器的廢氣排放，并達到技術(shù)人員通過節(jié)流閥設(shè)置的發(fā)動機速度和扭矩。

利用一臺***正的發(fā)動機來測試發(fā)動機控制系統(tǒng)是一種非常危險和高成本的方法。如果控制器存在程序錯誤，將會導(dǎo)致諸如爆震、超速、高溫的情況發(fā)生，并損壞測試發(fā)動機，甚至引發(fā)測試車間中的危險事故。所以，***正的發(fā)動機一般只用于最后的校準(zhǔn)工作。

根據(jù)控制器輸入來仿***發(fā)動機的輸出，我們可以在沒有發(fā)動機的情況下得到控制器的HIL測試結(jié)果。它還能幫助我們仿***一些在測試試驗室內(nèi)使用***實發(fā)動機時難以達到的情形，比如以極限條件運行。除了仿***正常運行環(huán)境，測試系統(tǒng)還通過信號的短路和斷路來仿***故障情形。使用一個HIL仿***器來測試控制器，我們可以確保針對一臺新發(fā)動機的控制程序的改進不會引起以前利用舊程序測試發(fā)動機時所發(fā)現(xiàn)的錯誤。我們并不需要一批***正的發(fā)動機來測試新的控制方式，使用之前已測發(fā)動機的仿***數(shù)據(jù)進行回歸測試即可。

實時仿***發(fā)動機
多年來，我們已經(jīng)使用了多種發(fā)動機控制器測試系統(tǒng)，包括電動馬達驅(qū)動、復(fù)雜可編程邏輯器件，以及專門為控制單元設(shè)計的整套交鑰匙系統(tǒng)。盡管這些系統(tǒng)的確能滿足了我們的一些要求，但它們很難提供靈活、高效的全自動解決方案，我們也很難進行進一步改進以滿足未來測試需要。

對于我們最新的發(fā)動機控制器，我們需要建立自己的系統(tǒng)。因為需要只有實時操作系統(tǒng)才能提供的確定性操作，我們選擇了LabVIEW Real-Time模塊進行仿***。在I/O信號方面，我們還使用了FPGA板卡，以滿足我們對定時同步的需求。另外，為了產(chǎn)生輸出波形和脈沖串，我們需要FPGA的運行速度遠高于仿***主循環(huán)。

在我們知道NI LabVIEW FPGA模塊和可重配置的I/O硬件以前，我們曾仔細研究過如何建立自己的基于FPGA的硬件系統(tǒng)。我們還尋找到了一塊整合了FPGA和集成I/ O口的電路板。但利用LabVIEW FPGA模塊在NI PXI-7831R可重配置I/ O板上進行FPGA編程，不但其性能參數(shù)優(yōu)于我們的預(yù)定規(guī)格，而且還節(jié)省了自己開發(fā)硬件90％的成本。當(dāng)然，部分成本節(jié)省來源于生產(chǎn)力的提高。但通過LabVIEW FPGA模塊，我們可以輕松地在LabVIEW中編程，不再需要雇傭高薪且稀缺的VHDL設(shè)計人員了。使用LabVIEW7 Express配置FPGA，即使沒有硬件工程師的幫助，我們的軟件開發(fā)人員也可以自主完成。

信號的同步與產(chǎn)生

為了準(zhǔn)確地表示一臺發(fā)動機的運行狀況，我們必須將多種信號與曲軸的轉(zhuǎn)角同步，曲軸的轉(zhuǎn)角代表發(fā)動機的運行位置。要正確測試一臺控制器，我們還必須將對控制器輸出進行采集，采樣信號和我們系統(tǒng)生成的曲軸信號同步。在此，我們使用了PXI-7831R可重配置I/O板卡上的模擬輸出端口，模擬可變磁阻曲軸傳感器。我們以一個曲軸角度的分辨率來追蹤發(fā)動機運行位置。例如，如果發(fā)動機工作在4000 rpm時，發(fā)動機位置跟蹤掃描頻率是24kHz。通過使用LabVIEW?FPGA模塊配置PXI-7831R的FPGA，我們將生成的曲軸轉(zhuǎn)角、爆震以及歧管壓力等仿***信號與控制器的測量信號同步，而測量的分辨率可達25納秒。

產(chǎn)生仿***輸出信號時，需要保證I/O板卡的輸出通道控制要比發(fā)動機仿***主循環(huán)更快。我們的LabVIEW Real-Time仿***循環(huán)以1KHz運行，也就是決策頻率。一旦做出決策，系統(tǒng)必須迅速產(chǎn)生輸入輸出信號以執(zhí)行控制指令。例如，在測試時，發(fā)動機控制器也許會控制發(fā)動機運行在發(fā)生爆震的狀態(tài)。LabVIEW Real-Time模塊中運行的模型便可針對某個特定氣缸控制產(chǎn)生一定幅度的爆震。PXI-7831R板卡上的FPGA然后就會產(chǎn)生這個輸出信號。另外，在曲軸始末角度之間的“爆震窗口”里，系統(tǒng)還必須向被測控制器輸出正確頻率和幅度的輸出信號?？傊?，通過LabVIEW FPGA模塊和PXI-7831R可重配置I/O板卡，我們解決了之前無法完全進行HIL仿***的問題。?

我們還從仿***系統(tǒng)產(chǎn)生了無需與曲軸角度同步的其它信號，包括：開關(guān)、溫度、踏板位置、油門位置以及車輛速度。我們在PXI-7831R可重配置I/ O板卡的其它獨立輸出通道上產(chǎn)生了這些信號。每個模擬輸入和輸出都有一個專用的模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器。利用FPGA架構(gòu)，我們可以同時并行多個進程。盡管FPGA上沒有操作系統(tǒng)，它卻像一個擁有多個、獨立的處理器的芯片，可以為特定任務(wù)進行定制設(shè)計。

擴展NI汽車測試平臺

LabVIEW FPGA模塊和可重配置I/O硬件已經(jīng)將NI汽車測試平臺擴展至發(fā)動機測試控制器HIL仿***應(yīng)用。在發(fā)動機實時仿***中，越來越多的I/O定時同步控制，以及板上輸出信號生成的快速決策將變得非常重要?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)可以建立、改進一個可以滿足基本所有ECU測試需求的測試系統(tǒng)。

推薦配置：
LabVIEW FPGA模塊
PXI-7831R FPGA模塊