Программно-аппаратное моделирование
HIL в автомобилестроении
Что такое HIL
Hardware-in-the-Loop, или Программно-аппаратное моделирование – это подход к испытанию программного обеспечения электронных систем с помощью подключения их к имитатору смежных систем или окружения.
Например, для отработки алгоритмов управления новым двигателем к ЭБУ подключается специальный компьютер с точной программной моделью двигателя и точной имитацией сигналов от него. Для ЭБУ это выглядит как штатная работа с реальным агрегатом.
HIL для устройства – это как летный тренажер для пилота. HIL подменяет сигналы, обманывая ”органы чувств”, обучает и испытывает ”навыки”, алгоритмы и сценарии.
Все системы взаимодействуют реальными сигналами и в реальном масштабе времени. Сегодня HIL применяется для широкого круга автомобильных систем, включая различные ЭБУ, электрические и гибридные силовые установки, батареи, инверторы и DC/DC преобразователи, трансмиссию, мультимедиа, датчики, радары и лидары, системы ADAS и др.
HIL и макетирование в НИОКР
HIL также применяется для макетирования изделия. Макет моделирует и ”имитирует” поведение самого изделия (которое еще только начинают разрабатывать) при взаимодействии с окружением. Система HIL имитирует окружение изделия.
HIL-имитаторы могут быть задействованы с обеих сторон, что позволяет плавно, по мере готовности изделий и алгоритмов, переходить от двустороннего моделирования к испытанию реальных систем.
Испытания раньше, безопаснее, дешевле
HIL-испытания начинаются задолго до готовности изделия, смежных систем или полигона. Заранее, в лабораторных условиях можно увидеть поведение системы и лучше подготовиться к натурным испытаниям. В режиме HIL за короткое время проводят тысячи полунатурных тестов, – не подвергая опасности людей и оборудование.
Так, необходимые миллионы километров пробега автономных автомобилей сегодня немыслимы без HIL.
HIL для отладки и доработки ПО
Результаты экспериментов HIL служат обратной связью разработчикам встраиваемого ПО, помогают внедрять, исправлять и улучшать смелые инновации. HIL помогает воспроизвести эксперимент, проверить гипотезы, набрать статистику. При этом, в отличие от компьютерной симуляции, работа ведется с реальными устройствами и сигналами, – и в реальном времени.
Платформа HIL National Instruments
Платформа National Instruments основана на более чем 40-летнем опыте автоматизированных измерений и тестирования новейших электронных устройств, электромеханических систем, систем автоматического управления, стендовых испытаний и научных экспериментов.
Платформа собрала лучшие практики решения задач в авиации и космосе, энергетике, автомобилестроении, судостроении, железнодорожном транспорте, медицинском приборостроении, ядерной физике. Сегодня это образец цельной, и при этом открытой и динамично развивающейся платформы для ответа новым инженерным вызовам.
Типовая система HIL включает объект испытаний, оборудование сбора данных и программную модель, которая принимает, обрабатывает и выдает сигналы, имитируя реальные сценарии.
Исполнение модели должно происходить в режиме жесткого реального времени, что в современных устройствах означает масштаб времени и задержки в единицы микросекунд. В основе оборудования для программно-аппаратного моделирования лежат процессоры реального времени и ПЛИС, а также специальное ПО, такое как NI VeriStand.
Оборудование сбора данных, как правило, включает также специальные решения для коммутации и согласования сигналов и дополнительные устройтва. Так, типично использование внешних мощных усилителей, имитаторов нагрузки, устройств имитации обрыва и внесения других неисправностей.
Оснастка или кабельные решения для удобных и надежных подключений занимают особое место в крупных системах, рассчитанных на испытания разных блоков.
ПО автоматизации испытаний, анализа и хранения результатов, специальные протоколы связи, нагрузки, имитацию неисправностей и др. дополнняют функционал системы.
NI PXI и NI CompactRIO
NI PXI и NI CompactRIO – это модульные системы контрольно-измерительного оборудования с ПЛИС под управлением операционной системы реального времени или Windows. Приборы и устройства этих форматов обеспечивают работу с тысячами сигналов и датчиков и выступают как измерительными комплексами, так и имитаторами систем в реальном времени.
Как правило, состав системы подбирается из готовых модулей.
NI SLSC
NI SLSC (Switch, Load, and Signal Conditioning) – это модульная система согласования сигналов, разработанная специально для задач HIL и открытая для пользователя. SLSC позволяет расширить диапазоны сигналов PXI и CompactRIO, добавить необходимое специальное согласование, и при этом сохранить лаконичность и модульность системы.
NI HIL Simulator
Системы NI HIL Simulator – это шаблоны систем для типовых HIL-задач, пред-сконфигурированные на основе лучших практик в отрасли. Такие комплексы уже содержат необходимые инфраструктурные и системные элементы, и сохраняют гибкость и открытость для пользователя.
NI VeriStand – ядро ПО для HIL
NI VeriStand – это программный пакет для испытаний в реальном времени. VeriStand предоставляет среду для исполнения моделей и управления ими, формирования входных сигналов, сбора, обработки и сохранения данных.
VeriStand облегчает задачи, связанные с HIL. Так, переход от программного моделирования к реальным каналам ввода-вывода происходит путем изменения нескольких настроек каналов.
Архитектура VeriStand разделяет движок реального времени и АРМ оператора, обеспечивая как детерминизм исполнения, так и настройку интерфейса и ПО организации испытаний во время работы.
VeriStand поддерживает различные модели, включая AMESim, NI MATRIXx SystemBuild, Dymola, MapleSim, ITI SimulationX, и допускает расширение возможностей с LabVIEW, ANSI C/C++, ASAM XIL и др.
Продукты The MathWorks
Открытость платформы National Instruments, её гибкость позволяют выбирать программные пакеты, необходимые для наилучшего решения задачи. Модели, созданные в MathWorks Simulink, Simscape и StateFlow, легко интегрируются в VeriStand для исполнения в режиме HIL на оборудовании National Instruments или совместного параллельного исполнения.
National Instruments и The MathWorks Inc. активно сотрудничают для обеспечения пользователей лучшими инструментами программно-аппаратного моделирования.
Программирование ПЛИС и Real-Time
Среда графического программирования для инженеров и ученых LabVIEW делает проще решение любых задач, связанные с измерениями, сбором данных и испытаниями. Управление оборудованием National Instruments чаще всего программируют именно в LabVIEW.
Модули LabVIEW Real-Time и LabVIEW FPGA позволяют легко программировать контроллеры реального времени и устройства с ПЛИС, без сложностей таких традиционных инструментов как VHDL и Verilog. Пакеты LabVIEW Control Design and Simulation Module и Model Interface Toolkit облегчают создание моделей и интеграцию сторонних моделей.
Анализ данных в DIAdem
DIAdem помогает хранить, искать, визуализировать и анализировать большие объемы данных измерений и моделирования, получаемых в ходе испытаний, – как в составе интерфейса VeriStand, так и в отдельном приложении.
Испытания с NI TestStand
Среда управления испытаниями NI TestStand позволяет организовать последовательное и условное исполнение тестов и сценариев, сохранение результатов и отчетов и другие неспецифические задачи тестирования.
HIL для систем электромобилей
Тестирование HIL – не новость для автомобильной отрасли, однако электродвигатели, гибридные силовые установки, связанные автомобили вносят новые требования, с которыми не справляются даже привычные системы HIL. Корректное моделирование систем электромобиля в реальном времени требует исполнения моделей за единицы микросекунд, что означает необходимость исполнения моделей не только на контроллерах реального времени, но и на ПЛИС, – на всех этапах испытаний.
Масштабирование архитектуры HIL тестеров
Типовая система HIL включает объект испытаний, оборудование сбора данных и программную модель, которая принимает, обрабатывает и выдает сигналы, имитируя реальные сценарии.
Стенды для больших задач — это комплекс взаимодействующих систем и HIL-имитаторов под общим управлением. В составе стенда также предусмотрены решения для коммутации сигналов, для подключения различных версий моделей, макетов и реальных систем, имитируются неисправности. Кроме того, всё происходящее регистрируется для мгновенного и отложенного анализа.
Стенды позволяют изучить ситуации, создавать которые в реальной эксплуатации либо невозможно, либо крайне нежелательно.
Оборудование и программное обеспечение стенда должно обеспечить:
Отработку различных сценариев эксплуатации в реальном времени;
Имитацию сигналов датчиков и исполнительных механизмов (физическими воздействиями или электрическими сигналами);
Возможность замены реальных систем (электронных блоков, гидравлических и механических систем и др.) их HIL-имитаторами и наоборот;
Имитацию аппаратных неисправностей и программных ошибок;
Измерение и запись необходимых сигналов.
Авто
Русский
English