概覽
HIL仿真是一種功能強大的測試方法，可以用于更加有效的測試嵌入式控制系統。當測試嵌入式控制系統時，從安全性，可行性和合理的成本上考慮，使用全系統進行所有必要的測試是不現實的。您可以使用HIL仿真來模擬部分系統以面對這些挑戰，在將整個系統進行實際測試之前使您能夠在虛擬環境下測試嵌入式控制器件。有了這個功能，即使您要測試的系統變得更加復雜，您也可以以一種具有成本效益的方式維持可靠性和市場投放。要更多地了解HIL測試如何改善控制系統驗證，請觀看什么是HIL測試網上視頻. 本教程討論了各種HIL測試系統架構和如何去實現它們。
一個HIL測試系統的組成
一個HIL測試系統由三個主要部分組成：一個實時處理器，I/O接口和一個操作界面。實時處理器是HIL測試系統的核心。它提供大多數HIL測試系統的確定執行，例如硬件I/O通信，數據資料記錄，激勵生成和模型執行。要精確地仿真測試系統中物理上并不存在的部分，一個實時系統是非常必要的。I/O接口是與被測部件交互的模擬，數字和總線信號。您可以用它們來產生激勵信號，獲取用于記錄和分析的數據，并提供被測的電子控制單元 (ECU)與模型仿真的虛擬環境之間的傳感器/執行器交互。操作界面與實時處理器相通，提供測試命令和可視化。在大多數情況下，這個部件也提供配置管理，測試自動化，分析和報告任務。
圖1. 一個HIL測試系統由三個主要部分組成：一個操作界面，一個實時處理器和I/O接口。
硬件故障插入
許多HIL測試系統使用硬件故障插入在ECU和其余要測試的系統之間產生信號故障，來測試，描述和驗證在這些情況下的器件性能。要做到這一點，您可以在I/O接口和ECU之間插入故障插入單元(FIUs)，從而允許HIL測試系統在正常運行和諸如對地短路或開路之類的故障狀態之間切換接口信號。
圖2. 您可以使用硬件故障插入來測試信號故障期間ECU的性能
測試多ECU系統
一些嵌入式控制系統，例如汽車，飛機或者風力發電站，使用一起聯網工作的多ECU協同運行。盡管每一個ECU最初被獨立測試過，然而系統一體化HIL測試系統，如整車模擬器或鐵鳥模擬器，還是經常被采用以提供更完整的虛擬測試。
圖3. 汽車，飛機和風力發電站使用多ECU
當測試一個多ECU控制系統時（甚至一些單ECU控制系統），經常出現兩個需求：附加處理能力和簡化連線。
附加處理能力-分布式處理
即使采用最新的多核處理能力，一些系統仍要求更多的，超過單底板的處理能力。為應對這種挑戰，您可以使用分布式處理技術來滿足這些系統的執行要求。在高通道數的系統中，其需求超出了簡單的增加處理能力，額外的I/O也是必不可少的。相比之下，采用大規模，耗費處理器設計的系統經常使用附加的底板，僅僅是為了提供額外的處理能力，從而允許那些處理器能以很高的效率應用于單個任務。根據仿真任務的分布情況，可能需要在底板之間共享觸發和定時信號，并提供確定的數據鏡像來提高協同運作的能力。
圖4.當為得到附加處理能力采用多重底板時，在它們之間提供時間和數據同步接口是很有必要的。
簡化連線-分布式I/O
實現和維護高通道數系統的連線會面對昂貴和費時的挑戰。這些系統需要在ECU和HIL測試系統之間連接成百上千個信號，經常為補償空間要求跨越很多米。
幸運的是，確定分布I/O技術能幫助您理順這些復雜的連線并提供與ECU的模塊化連接，同時允許高效系統配置的修改。無需將所有的連接排布在單個機架里的一個或多個具有I/O接口的實時處理底板上，您可以使用確定分布I/O來提供模塊化的I/O接口，這些接口位于靠近各個ECU的位置，從而不會犧牲精確仿真系統虛擬部分所必須的高速確定性需求。
這種方法極大的減少了HIL測試系統連線的花費和復雜程度，它使ECU和I/O接口之間的局部連接（跨度小于1米）成為可能，同時，使用一個單獨的總線電纜來擴展到實時處理底板的距離。此外，由于這種方法的模塊化特性，HIL測試系統能夠毫不費力地逐步擴展，從除一個以外其它都是仿真ECU的系統到完全沒有仿真ECU的完整HIL系統。
圖5. 由于ECU和I/O接口采用局部連接，確定分布I/O接口極大的降低了HIL測試系統的連線花費和復雜性
實現HIL測試系統
一旦您為您的HIL測試系統選擇了適當的構架，創建一個HIL測試系統的第一步是選擇最能滿足您新要求的實時處理元件。NI公司為執行HIL測試系統提供了廣泛的實時處理選擇。因為它們都基于開放的工業標準，所以它們能確保您總能將最新的PC技術進展用在您的HIL測試系統中，從而始終滿足未來測試系統的要求。.
PXI是一款基于PC的測試，測量和控制的開放平臺。它提供廣泛的實時處理器選擇，包括數個高性能的雙核和四核處理器。有超過70個供應商提供1200多種PXI產品，在世界范圍內有數千公司選擇了PXI平臺。
PXI平臺能在很多同步技術下工作，包括通過IRIG-B, IEEE 1588, SCRAMNet以及反射內存來在多機箱HIL測試系統中用于共享定時，觸發和數據。
NI公司也提供了數個用于小成本，小體積的HIL測試系統供選擇。NICompactRIO是一種低成本的可重配置的控制和采集系統。系統采用由可重配置I/O(RIO)現場可編程門陣列(FPGA)技術組成一個開放的小型嵌入式架構。
這種技術將實時處理器和用戶可編程FPGA結合起來。您可以使用FPGA創建自定義的I/O特性并且可以把模型執行和信號處理運算從實時處理器下放到FPGA上來提高HIL測試系統的性能。
總結
在決定和選擇能滿足您的HIL測試系統需求的，適當的實時處理部件之后，您需要為您的ECU選擇所需的I/O接口。請閱讀選擇硬件在環(HIL)測試系統 I/O接口以更多的了解可用于您的HIL測試系統的I/O接口。
