福特汽车基于NI平台进行混合燃料电池ECU快速原型设计和硬件在环仿真

挑战：为汽车燃料电池系统开发一个电子控制设备(ECU)，显著改善燃料电池系统使其较之于传统的基于内燃机的传动系统更具竞争力，同时在商业上切实可行——是我们面临的主要挑战。

方案：使用NI LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA模块及NI CompactRIO控制器为汽车燃料电池系统开发一个实时嵌入式控制系统，并使用LabVIEW和一个实时PXI 机箱硬件在环（HIL）系统进行系统验证。

自1992年以来，Ford Motor公司就开始专注于研发燃料电池系统。虽然燃料电池系统较之传统的基于内燃机的传动系统更具竞争力，但在我们取得重大进展的同时，依然存在一些缺陷妨碍了燃料电池系统成为商业可行的技术。因此，我们不断在系统寿命、防冻起动等方面进行重大改进，尝试消除这些不足。

在开发突破性的燃料电池系统的同时，我们还使用快速原型开发了新型控制系统。在开发过程中，设计团队不断通过系统工程V模型验证、改良设计。设计上的改变往往会影响子系统部件之间的接口，如空气压缩机控制模块和燃料电池控制模块之间的接口。尽管在车辆生产方面ECU已经取得了广泛的成功，但仍然存在更好的快速原型控制系统实现方法。我们使用CompactRIO进行燃料电池控制设备（FCU）的快速原型开发，而不是更改产品ECU I/O电路以适应接口变化。使用CompactRIO，我们快速地适应了设计上的改变，并使用用于新型设计方案的新传感器和制动器进行了实验。

我们开发了硬件在环系统（HIL），它由一个在NI PXI-1010混合PXI/SCXI机箱中的NI  PXI-8186控制器以及一些相关的PXI和SCXI I/O卡组成，其中包括一个控制器区域网络（CAN）板卡，用于对CompactRIO 控制器中嵌入的控制策略功能性进行验证。这个使用LabVIEW Real-Time实现的硬件在环系统具有图形化用户界面（GUI），可向ECU提供手动和自动输入以验证控制策略的执行，同时在硬件在环监视器上显示CompactRIO I/O反馈。硬件在环系统的验证是成功的，在CompactRIO开始控制实际的燃料电池系统设备后，我们只需要对策略进行镜像更改即可。

汽车动力传动控制需要能够实时。为达到实时所需的确定性，LabVIEW Real-Time Module（实时模块）为所选控制器提供了商业化的实时操作系统（RTOS）。当我们为提升性能从使用NI cRIO-9002转为使用NI cRIO-9012嵌入式实时控制器时，LabVIEW Real-Time模块会自动从Pharlap实时操作系统（RTOS）转为VxWorks实时操作系统（RTOS）。通过使用美国国家仪器产品实现 RTOS，我们的团队得以集中精力到燃料电池控制系统，而无需为实时操作系统这一细节分心。

燃料电池系统控制器从车辆中的传感器、制动器、其他控制器及系统中接受不同类型的输入。现在，汽车设计普遍采用CAN总线设备，用来传送、接收燃料电池系统内外大多数的I/O信号。在实验室测试时，我们通过一个基于LabVIEW的扩展测试平台模拟了主车辆控制器，它通过CAN总线与燃料电池系统从控制器进行通信。出于这些考虑，对于汽车燃料电池系统应用来说，CompactRIO CAN的支持至关重要。为了支持CAN总线，美国国家仪器迅速开发了支持快速、基于VxWorks的平台（如cRIO-9012）上的CAN总线的新方法。除了能够应用CAN通道API外，新的CAN架构通道转换库也比以前更快，从而缩短了我们的开发时间。

美国国家仪器的产品一直以来都以支持一个开放式系统架构而备受赞誉。使用NI Measurement & Automation Explorer (MAX)软件可以方便导入使用其他CAN生产商的工具开发的CAN信息数据库。这使得我们可以交换数据库，而无需转化或记录CAN信息数据库。
技术无缝集成

对于这个项目来说，我们使用LabVIEW Professional Development System开发系统和两个附加模块实现了控制策略。首先，我们使用了LabVIEW Real-Time模块，对实时控制器编写了实时控制软件。其次，我们使用 LabVIEW FPGA模块，通过基于FPGA的软件传输包括CAN在内的所有I/O。这两个附加LabVIEW模块都可以无缝集成到LabVIEW开发环境中，其中，图形化差分是我们所使用的主要的LabVIEW特性之一。

另外，NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包在需要解决精密计时问题时会是一个重要的工具。使用此款工具包，我们可以发现那些没有预期执行功能的实时嵌入式代码区域，然后对代码进行优化以确保的实时性能。如果没有像NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包这样的产品，我们将必须依靠诸如在线仿真器和逻辑分析仪这样的昂贵的外部测试设备。

开发者经常会在版本控制方面遇到困难，而LabVIEW 和Microsoft Visual SourceSafe版本控制程序能够完美集成，我们在软件开发中充分利用此种特点，成功并无缝地集成了版本控制。只需在LabVIEW项目窗口中的源 VI图标上简单右击，就可显示诸如文件check-in或check-out等功能列表。对于版本管理软件，易于使用对于获取开发者的支持至关重要。
LabVIEW无处不在——我们使用LabVIEW的动力

我们使用LabVIEW来开发首个内部设计燃料电池系统还有几个其他原因。首先，我们之前的标准软件开发过程需要的开发者数量超过了我们的现有资源。然而，因为一些工程师已有使用LabVIEW的经验，还有一些也已经进行过培训，因此通过使用LabVIEW，我们相当于获得了更多的资源。其次，为快速原型控制器开发的软件与我们之前使用LabVIEW开发的测试平台之间本来就可以相互配合， VI可以被共享，开发环境、硬件亦是如此。

第三，由于模块化LabVIEW VI为向后兼容，我们可以重用10年前开发的VI作为硬件在环（HIL）系统的基础。另外，我们基于NI硬件和LabVIEW的实验室测试系统，可以很容易地使用技术数据管理流（TDMS）文件格式储存测试数据，以备NI DIAdem数据管理软件进行分析。与普通的数据可视化方案一样，我们使用DIAdem快速并自动地搜索多个数据文件，找出性能异常并使用注解将它们图形化。而且，NI技术支持一直以来都是业界最好的，这也是成功的关键因素。

福特和美国国家仪器有很长的合作历史，我们使用LabVIEW对我们生产的每一款燃料电池电动车的方方面进行了开发，并且成功为汽车燃料电池系统设导入了实时嵌入式控制系统。

作者信息:
Kurt Osborne
Ford Motor Company
1201 Village Rd
Dearborn, MI 48121
Tel: 313-322-3202
kosborn1@ford.com

NI公司供稿