摘要

本系列文章將介紹HILS，它已成為車載系統開發的關鍵技術。本文將闡述HILS的工作原理，并探討適用于各種車輛控制系統的HILS系統類型。

點擊查閱：硬件在環HIL（一）：什么是HILS？

HILS能在Windows PC上運行嗎？

硬件在環仿真（HILS）是如何工作的？HILS 的關鍵在于虛擬工廠模型與實際信號之間的接口，以及工廠模型的實時仿真。僅使用 Windows PC 就能實現這一點嗎？答案是“不能”。

個人電腦上運行著許多不同類型的軟件。例如，我用文字處理軟件撰寫了這篇文章，而你可能正在使用網頁瀏覽器閱讀這篇文章。這些軟件都運行在諸如Windows之類的個人電腦操作系統上。鍵盤和鼠標操作、屏幕顯示、音頻輸出、打印輸出、從硬盤驅動器等存儲設備讀取和寫入數據，以及由計算機核心CPU執行的所有數據處理，都通過操作系統（OS）完成。由于所有信息交換都通過操作系統進行，因此無論是我們用戶還是電腦軟件本身，都不知道具體執行了哪些任務以及何時執行的。

另一方面，如圖 2（實時仿真）所示（見本系列第一部分），硬件在環仿真　（HILS ）在每個周期執行輸入、工廠模型計算和輸出。為了實現實時執行，通常使用配備實時操作系統（RTOS）的計算機。我們將這臺計算機稱為 HILS 計算機。除了 HILS 計算機之外，還需要另一臺稱為主機的 PC 來執行 HILS 開發工作，例如創建工廠模型和用戶界面（UI），以及設置工廠模型和輸入/輸出接口的系統配置。開發工作完成后，即可通過 UI 操作 HILS。主機上的 HILS 軟件運行在 PC 操作系統上。HILS 計算機通過 LAN 電纜或類似方式連接到主機，并可由主機進行遠程控制（圖 1）。

圖1、HILS機制

用于創建HILS的軟件

獲取HILS系統模型的方法有多種：購買用于創建系統模型的軟件并自行創建系統模型；根據自身需求外包系統模型創建；或者購買現成的系統模型軟件。要在HILS系統中運行系統模型，需要HILS環境軟件來運行系統模型以及在HILS計算機的實時操作系統（RTOS）上運行輸入/輸出接口。表1列出了一些常用的軟件。

表1、代表性的HILS軟件

HILS制造商銷售的套裝包含集成輸入/輸出單元的HILS計算機，以及用于HILS開發和運行的HILS軟件，還有發動機、傳動系統、車輛動力學等的被測系統模型。為了使購買的HILS能夠用于測試，必須對被測系統模型和輸入/輸出接口參數進行定制，使其與被測系統的規格和測試目標相匹配。即使是像發動機HILS這樣的成套產品，也必須進行定制才能適應發動機的所有輸入和輸出。當開發基于全新概念的控制系統時，可能需要從頭開始創建被測系統模型。

將工廠模型集成到HILS計算機中

將工廠模型按以下步驟集成到HILS計算機中：

1.建立模型

2.根據每個 ECU 端子的電氣規格，將輸入/輸出接口端子分配給每個 ECU 端子，并設置測量內容。

3.設置電信號?物理量轉換系數，使輸入/輸出接口的電信號值與工廠模型輸入/輸出端子的規格（物理量）相匹配。

4.將轉換后的輸入和輸出信號連接到被控對象模型的輸入和輸出端。

5.將工廠模型和輸入/輸出設置轉換為 RTOS 可執行文件（構建過程）

6.將可執行文件發送到 HILS 計算機，并使其在 RTOS 上的工廠模型上可執行（部署過程）。

7.將 UI 項目分配給 HILS 操作和運行狀態觀察所需的信號，并在 UI 屏幕上設置它們。

8.當從用戶界面屏幕啟動 HILS 計算機上的 I/O 接口和工廠模型時，ECU 和 HILS 計算機之間的控制回路就會被激活。

通過用戶界面在HIL上測試控制系統？

現在，讓我們考慮如何使用 HILS 來測試發動機發電機系統的 ECU，這在本系列的第一部分中已經介紹過。

當你在電腦屏幕上操作用戶界面 (UI) 設置來更改 UI 值時，硬件在環仿真 (HILS) 軟件會更改 HILS 計算機上相應項的值，從而影響控制回路的運行。可以通過測量 UI 項來觀察控制回路的運行狀態。

圖 2展示了 HILS 設備的配置以及用戶界面 (UI) 的圖像。該 UI 界面從系統操作和觀察的角度進行設計，配備了用于操作發電機系統和電氣負載的開關，使用戶能夠通過該界面完成所有系統操作。同時，它還顯示一個時間序列圖，方便觀察系統狀態的變化。除了發動機轉速和節氣門開度之外，HILS 還可以測量一些在實際應用中難以直接測量的數據，例如發動機扭矩和燃油消耗量，而無需使用測量設備。

圖2、HILS設備配置和用戶界面

通過操作和觀察用戶界面，你可以像在真實世界的發電機系統中一樣測試以下控制功能和性能。

·啟動/停止功能、怠速控制特性

·穩態控制性能，適用于 0W 至 1000W 的電氣負載。

·負載變化期間瞬態控制功能中的速度控制性能

與現實世界相比，測量要容易得多，你只需在用戶界面或日志項中設置感興趣的信號即可進行測量。根據測試內容，你還可以根據需要輕松測量其他數據。

在硬件在環（HILS）測試中，被測對象在一個虛擬環境中運行，唯一實際移動的是ECU的電信號。無論在HILS中執行何種測試，都不會發生任何機械運動。HILS的特點之一是，即使在危險的測試條件下，也完全不用擔心會造成實際危險。

車輛系統和硬件在環應用

在汽車開發中，HILS技術被應用于哪些類型的車輛系統？

表2展示了與車輛駕駛功能（例如“行駛、轉彎和停止”）相關的HILS系統。典型的例子包括發動機和制動器，但也包括電動汽車和混合動力系統。這類系統采用閉環控制，其中電子控制單元（ECU）與被控對象模型構成控制回路。為了測試這類系統，如圖3頂部示意圖所示，測試信號從ECU和HILS被控對象模型之間的控制回路外部施加，并觀察系統狀態的變化。

表2、與駕駛控制功能相關的硬件在環測試

圖3、車輛系統格式和HILS測試

表3展示了與駕駛無直接關系的車身控制系統的HILS測試。這些系統大多是開環控制系統，沒有來自被控對象模型的反饋，例如安全氣囊和照明系統。測試方法是通過改變ECU的輸入并觀察ECU控制輸出的變化來進行的，如圖3下方的示意圖所示。這種沒有控制回路的系統也包含在HILS測試中。與閉環系統相比，單個功能雖然更簡單，但在車身HILS等測試中，許多功能被整合在一起，測試項目也很多，因此，能夠進行高效測試的HILS也適用于開發開環控制ECU。

表3、與控制功能相關的HILS

HILS尺寸

由于硬件在環仿真（HILS）所針對的控制系統類型和規模各異，HILS計算機的尺寸也各不相同。最小的HILS計算機將實時CPU和接口電路集成在一塊電路板上，并內置于個人電腦（圖4 (1)）。緊湊型HILS計算機則將CPU和輸入/輸出模塊集成在一個足夠小的單元中，可以放在手掌中，適用于小型系統的HILS（圖4(2)）。

許多成套銷售的HILS系統都將HILS計算機和接口單元集成在一個9英寸機架中。機架的高度從約60厘米（可放置于桌面）到約2米高的全尺寸機架不等（圖4（3））。用于汽車的最大型系統稱為車輛HILS，它可以同時測試安裝在車輛中的100多個ECU，并且可以組合多個全尺寸機架，占據整個房間（圖4（4））。

圖4、不同尺寸的 HILS 計算機

在下一篇中，我們將分析傳感器和執行器的結構和功能，它們是 HILS 輸入/輸出接口的關鍵組件，以便考慮構建 HILS 的需求規范。更多內容，關注牛喀網，學習更多汽車科技。有興趣的朋友，可以添加牛小喀微信：NewCarRen，加入專家社群參與討論。

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