摘要

本系列文章闡述了硬件在環仿真（HILS）技術，該技術已成為車載系統開發中不可或缺的一部分。本期我們將分析傳感器的結構和功能，傳感器是HILS輸入/輸出接口的關鍵組成部分，并探討HILS信號生成電路的規范。

在本篇文章及下一篇中，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，并探討HILS信號生成電路的規范。本期我們將重點關注傳感器。

點擊查閱：硬件在環HIL（一）：什么是HILS？

點擊查閱：硬件在環HIL（二）：HILS的工作原理

發電機系統中使用的傳感器

表 1列出了本系列第一部分討論的發動機發電機系統的輸入和輸出所用的傳感器，圖 1顯示了電路。

表1、發動機發電機系統傳感器

圖1、ECU輸入電路和傳感器

電子控制中最常用的信號是0/1數字信號。開關和開/關輸出傳感器都屬于此類信號。在ECU內部，0/1數字信號被處理成0V/5V的電信號，并與CPU進行輸入和輸出。然而，在ECU外部，它并非簡單的0V/5V信號，而是根據具體需求轉化為各種電信號。此外，還有代表各種物理量的模擬信號，這些信號也會轉化為各種電信號，例如連續變化的電壓、電流和脈沖。

該發電機系統有三種類型的開關，一個用于發動機轉速傳感器信號的脈沖電路，以及用于節氣門位置傳感器和水溫傳感器的模擬電壓輸入。

啟動開關和停止開關電路

啟動開關和停止開關是同一個開關電路。在實際電路中，它們在接通時連接到電池電源，斷開時接地。ECU 的輸入在接通時為 0V，斷開時為 12V。

圖2展示了一個硬件在環 (HILS) 啟動開關信號生成電路的示例，該電路可生成 0V/12V 信號。晶體管的輸出端通過一個電阻連接到 12V 電源。當 HILS 計算機的開關數據開啟時，晶體管的輸入端（基極）施加 5V 電壓，晶體管導通，輸出端（集電極）與地（發射極）之間導通，此時輸出為 0V。當開關數據關閉時，晶體管的輸入端被設置為 0V，因此輸出端與地斷開，電源連接導通，此時輸出為 12V。

圖2、啟動開關和停止開關信號發生電路

控制開關

控制開關為旋轉式，有三個可選位置：關閉 (OFF)、50Hz 和 60Hz。在實際電路中，旋轉旋鈕控制 50Hz 輸入和 60Hz 輸入的兩個觸點，從而產生三個位置的電信號。三個位置與觸點狀態的對應關系如表 2所示。

表2、控制開關的功能要求

在這個電路中，當觸點斷開時，開關輸出端未連接任何元件。需要注意的是，如果ECU未連接，開關輸出端的電壓將“未定義”。然而，ECU的內部電路會進行上拉，這意味著輸入端通過一個幾千歐的電阻連接到電源（5V），因此當觸點斷開時，電壓將為5V。

如圖 3中的電路 A 至 C 所示，有三種方法　可以為 HILS 生成控制開關信號。每種方法都使用兩個開關輸出電路，但圖中只顯示了一個電路。

圖3、控制開關信號生成電路

電路 A 使用機械繼電器，以便像實際電路一樣實現觸點的開合。驅動機械繼電器需要一個電路，但其電氣配置可以與實際電路相同。與實際電路一樣，當觸點開合時，它們會發生機械抖動，由于高速頻繁的開關動作以及觸點間的放電，會產生瞬態電壓，從而導致抖動。

電路 B 使用半導體開關而非繼電器觸點來控制電路的開閉。這種方法與機械繼電器不同，因為電路斷開時，開關輸出端與地之間會產生漏電流。此外，它也不會產生抖動或放電現象。

電路 C 直接使用 0V/5V 的數字信號電壓。這種方法向 ECU 發送 0V 的閉合電壓和 5V 的斷開電壓。

電路按與實際電路的接近程度依次為 A、B 和 C。電路 C 通常用作硬件在環仿真 (HILS) 的開關輸出，并且在大多數情況下完全適用于 HILS 的開關輸出。電路 A 和 B 在執行涉及線束或 ECU 電路異常的特殊測試時非常有用（例如，重現現場缺陷）。選擇用于 HILS 的電路時，必須考慮 ECU 規格和要使用 HILS 執行的測試。

當多個觸點以相關方式同時操作時，可以通過定義與實際設備功能類似的用戶界面（例如旋轉開關）來提高 HILS 的可用性。

油壓開關

機油壓力開關是一種開關式傳感器，在確保發動機安全方面起著重要作用。為了保證高可靠性，它采用兩線電路，正向和反向線路均連接到發動機控制單元（ECU）。

對于硬件在環仿真（HILS）信號生成電路，如果側重于機械觸點，可以考慮圖 4 中的電路 A，該電路采用機械繼電器。另一方面，如果僅需最小電路，則可以考慮圖 4 中的電路 B。電路 B 為單線系統，未連接 ECU 的傳感器接地端。因此，HILS 電路的接線可能與實際設備的接線有所不同。

圖4、油壓信號發生電路

旋轉傳感器

大多數旋轉傳感器是電磁感應傳感器，如圖 1 所示。其他類型包括使用霍爾元件或光學元件的傳感器。電磁感應傳感器在每次對向齒輪上的齒經過傳感器線圈前方時都會產生一個波形峰值，并具有以下特性（見圖5）：

（1）傳感器波形的頻率與連接在曲軸上的齒輪的齒數成正比，如下式所示：

頻率（赫茲）= 轉速（轉/分）÷ 60 × 齒數

(2) 波形為正弦波或修正正弦波（霍爾元件和光學式傳感器產生方波波形）。

(3) 發動機高速運轉時，波高增大。

(4) 發動機極低速運轉時，例如啟動過程中，波高會變得非常小。波形也可能與正弦波不同（還受齒輪齒數和形狀的影響）。

(5) 波高會隨旋轉傳感器與齒輪間隙的大小而變化。

(6) 實際傳感器波形可能包含噪聲，如圖 5(b) 所示。

然而，(4) 和 (6) 通常設計為不受 ECU 內部波形整形電路的影響。此外，齒輪和傳感器的裝配精度也很高，以避免 (5) 的影響。因此，我們將重點關注 (1)、(2) 和 (3)，來考慮 HILS 旋轉信號生成電路的要求。

圖5、旋轉傳感器波形圖。(a) 顯示波形隨轉速的變化，(b) 顯示帶噪聲的傳感器波形

(A) 頻率隨曲軸旋轉角速度連續變化，覆蓋發動機從啟動轉速到最大轉速的范圍（對于60齒系統，轉速100 rpm時頻率為100 Hz，轉速6000 rpm時頻率為6000 Hz）。

(B) 信號電壓的產生必須與ECU波形整形電路的閾值保持一定的裕量。

(C) 信號必須像實際傳感器一樣，以浮地狀態輸出，與地線和電源保持連接。

滿足這些要求的旋轉傳感器信號生成電路的一個例子是圖 6中的電路 A 所示的方波脈沖輸出電路。另一方面，如果測試目標中包含波形整形電路和相關軟件功能，則增加要求 (D)，可以考慮如圖 6 (B) 所示的電路。

(D)輸出波高和波形會隨著旋轉速度和傳感器與齒輪之間的間隙而變化。

圖6、旋轉傳感器信號生成電路

重申一下，硬件在環仿真（HILS）的信號發生電路原則上應該與實際設備中的電路相同。然而，在考慮ECU規格和測試目標的前提下，選擇盡可能簡單的電路至關重要。關鍵在于能夠在HILS中創建所需的測試條件。如果能夠采用簡單的電路，就可以降低HILS的成本。

節氣門位置傳感器

在該系統中，節氣門位置傳感器采用如圖 1 所示的可變電阻器。此外，還有其他類型的傳感器采用非接觸式霍爾元件。使用可變電阻器檢測節氣門位置的方法是：將傳感器電源電壓施加到電阻器的兩端，并通過與節氣門位置（角度）相連的滑塊接觸電阻器的中間部分，從而輸出與節氣門位置對應的電壓。該電壓在傳感器電源電壓 (5V) 和地線 (GND) (0V) 之間連續變化。

另一種HILS信號生成電路可以使用類似于傳感器的可變電阻，但由于用計算機控制電阻變化并不容易，因此許多人使用一種稱為數模轉換器（DA轉換器）的模擬電壓生成電路，如圖7所示。此外，圖7中的電路使用傳感器地（GND）作為DA轉換器的參考地（GND），提高了輸出電壓的精度。DA轉換器輸出的條件是傳感器電源正在輸出，并且ECU傳感器電源的輸出狀態也被包含在信號輸出中。

圖7、節氣門位置傳感器信號生成電路

水溫傳感器

發動機中使用的大多數溫度傳感器都是熱敏電阻。熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的元件，如圖 8底部所示，它具有低溫下電阻高、高溫下電阻低的特性。發動機運轉時，發動機冷卻水的溫度范圍從室溫到 100°C 左右。

通過在 ECU 內部配置一個結合了熱敏電阻和電阻的測量電路，可以獲得如圖 8 上圖所示的溫度和電壓之間的關系。ECU 使用 AD 轉換器來測量該關系。

如圖 9所示，HILS 信號生成電路使用 DA 轉換器輸出與水溫等效的電壓。ECU電路的輸入端通過電阻器連接到 5V 傳感器電源，因此必須注意確保 DA 轉換器的輸出電壓不會因該電流的影響而改變。

圖8、水溫傳感器的熱敏電阻和電路特性

圖9、水溫傳感器信號發生電路

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