NI软硬件平台在汽车ECU开发和测试中的应用

应用举例一：Yamaha摩托车控制系统快速原型测试  

美国Drivven公司承担为Yamaha YZF-R6 摩托车开发发动机控制系统原型项目。项目要求：毫秒级的控制器模型循环时间；微妙级的喷油和点火正时；并考虑摩托车空间受限、设备供电等因素。  

Drivven在经过市场调查之后，最终选择NI CompactRIO嵌入式系统平台。该平台包括实时嵌入式控制器、内置FPGA芯片的机箱以及内置信号调理的模块。整个系统具有小型、坚固、9-35V直流供电，适应复杂的测试环境和有限的测试空间。FPGA芯片是CompactRIO体系结构的核心，但设计者借助LabVIEW FPGA模块，无须硬件描述语言和相关专业知识，便可在WINDOWS操作系统上用图形化方法开发自定义的FPGA逻辑代码并下载。该平台又是一个开放的平台，既可选用现成的针对不同信号类型的模块，又可自己开发自定义模块。Drivven根据项目需求，开发了模数混合模块、燃料喷射模块、氧传感器模块、可变磁阻和霍尔模块等。  

通过LabVIEW实时模块编程实现高性能赛车常用的速度密度法和节气门开度速度法组合控制策略。速度密度法是指利用发动机转速和进气密度来计算各缸进气量，系统驱动喷油器提供所需的油量，以满足各种节气门状态下的理论空燃比要求和在节气门全开情况下的最大扭矩需求，应用于低转速、低负荷工况。节气门开度速度法是指根据两者参数值在二维图表上查找空气质量经验值。  

将CompactRIO原型平台布置在该摩托车上，进行试验，系统和程序界面如图2、图3所示。试验结果表明：发动机转速可高达15500RPM；能很好地实现喷油、点火正时等策略。同时，实时控制器可记录下试验过程中包括进气气压和温度、大气气压、冷却水温度、节气门位置、喷油初始角、点火提前角等参数。Drivven公司总裁Carroll G. Dase表示：“和过去类似项目相比，利用CompactRIO平台从过去两人一年的工作量并耗费50万美金下降到三人一个月的工作量且只需花费15000美金。”   

  
图2 发动机控制器硬件原型

   
图3 发动机原型上位机测试界面  

应用举例二：MicroNova发动机硬件在环测试  

德国MicroNova公司面临在短时间内开发紧凑的、高精度的板卡用于汽车发动机管理系统硬件在环测试，要求能够仿真2缸、4缸、6缸和12缸完整的测试环境的项目需求。  

基于对PXI平台模块化、灵活性的了解，MicroNova选择了NI PXI平台，包含PXI-8196实时嵌入式控制器、PXI-7831 FPGA板卡、PXI-6723模拟输出板卡以及PXI CAN模块。其中，PXI-7831是能提供模拟的输入输出、数字的输入输出、PWM生成和测量的标准板卡，并可通过LabVIEW FPGA编程实现曲轴、凸轮轴、爆震、点火等非标准信号。通过LabVIEW仿真接口工具包集成已有的在Simulink环境下开发的仿真器模型，协同TESIS DYNAware提供的发动机模组来构建虚拟的测试环境，并运行于PXI实时控制器中。MicroNova开发了信号调理模块，对信号大小、I/U、U/I、U/R等进行调理，以满足类似ECU电流在休眠模式下为几个μA，而工作模式时可达50 A的需求。此外，系统还包括Magneti Marelli ECU、故障输入模块和真实负载。  

整个硬件在环测试系统的软件架构如图4所示，包括FPGA目标、实时系统和上位机三个部分，其中上位机为用户操作界面和自动化测试管理程序。该系统具有小型化、高精度、开发时间短、低成本的特点。不仅可直接使用已有的模型、接口板等；又可根据系统需求进行模块替换或扩展；板载FPGA便于实现灵活的可重复配置，但无需复杂的软件硬件知识；通过PXI背板总线实现数量众多的I/O在不同的总线速度下同步。  

  
图4 MicroNova发动机硬件在环测试软件架构  

该平台已成功用作BMW某12缸直喷发动机的硬件在环仿真器；还可用于其它不同系列发动机，如：含可变气门驱动、可调式凸轮轴控制、直喷技术的V-12和6缸直列发动机；带涡轮增压、空气中冷4缸直列共轨柴油机；用于摩托车的进气管喷射、2个爆震传感器和双节气门的V-2发动机。  

总结：  

目前，基于PC技术的控制器开发“V”模式已成为汽车ECU开发一套行之有效的方法。对于其中快速原型和硬件在环两个关键环节，设计者可根据ECU I/O数量和控制逻辑的复杂度选择对应的CompactRIO平台或PXI平台，且整个系统是在图形化设计工具LabVIEW下实现的，无需复杂的软硬件知识；均具有成本低、开发时间短、可扩展性、通用性等特点。