1. 引言

當今汽車行業，法規對安全性、動力性、舒適性、排放等提出了日益嚴格的要求，而這些性能又很大程度受ECU性能和質量的影響。因此在汽車中，ECU不僅數量持續上升，其功能也不斷增強。在汽車中，分單個ECU系統和多個ECU互聯系統，前者如安全氣囊ECU，后者如發動機管理系統(EMS) ECU。EMS涉及數千個參數和多個電子設備，而且這些參數之間存在數據共享和傳遞，需要通過不同的汽車總線將各個電子設備互聯，以形成車載網絡，并完成復雜的智能控制和故障診斷。ECU復雜性和功能性不斷增加，為確保最終產品質量，需要通過自動化測試手段來減少從定義、分析、設計到實現不同產品周期環節的人為失誤。此外，還面臨如何在最短的開發周期內以最經濟的成本將產品推向市場的挑戰。

2. 控制器開發“V”模式

經過多年探索，業界普遍采用基于計算機模型的控制器開發“V”模式，如圖1所示。該模式可以很大程度地減少反復過程、縮短開發周期，以節省成本。該模式除應用于汽車用ECU開發外，也已成功應用到航空、國防、“白色”家電、醫療設備、工業過程控制等領域。下面按照“V”模式圖橫向對應的先后環節順序作簡單闡述。

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圖1 控制器開發“V”模式圖

系統定義：根據控制系統設計要求，完成設計規范，如控制算法、控制對象參數等。往往需要以往的設計經驗、試驗數據作參考。

設計、仿真：根據控制系統定義，將整個系統在計算機軟件環境下實現，即對控制器的控制邏輯、控制對象環境進行建模仿真，以幫助設計者在先期就對系統指標、誤差等進行快速評估。仿真工具主要有NI LabVIEW、The MathWorks, Inc. Simulink?、MATRIXx等。其中LabVIEW允許設計者在圖形化環境中借助提供的控制仿真模塊對控制系統進行建模和動態仿真，又可集成第三方軟件開發的模型和代碼，包括The MathWorks, Inc. Simulink?、MSC CarSim，甚至C代碼。MATRXx則提供一整套系統設計仿真工具，尤其適合開發和管理大型的、復雜的模型。

快速原型：在這里，快速控制原型（Rapid Control Prototype，簡稱快速原型）概念區別于機械制造中根據CAD數據自動構建物理模型的快速成型技術。因為軟件仿真不能完全體現實際的動態環境，需要開發一個控制器硬件原型用以在真實環境下驗證算法，即將控制器模型下載到一個實時硬件平臺，并通過I/O連接至真實環境中的傳感器、執行器并進行測試，該過程即快速原型，也常稱為軟件在環。選用實時硬件平臺是為了仿真的時效性、確定性和穩定性。

代碼生成與軟件測試：控制器模型在通過快速原型環節驗證之后，將該模型自動或手工生成C代碼或其它支持類型的代碼，并下載到ECU的微控制器。并對所產生的目標代碼進行測試。

硬件在環：硬件在環(Hardware in the Loop)是指將已下載目標代碼的ECU通過I/O連接至先前建立的環境模型(硬件在環仿真器)，并測試該ECU在各種工況下的功能性和穩定性。硬件在環是一個閉環的測試系統，可重復地進行動態仿真；可在試驗室里仿真夏季和冬季的道路試驗，無需真實的測試環境組件，節約測試成本；可進行臨界條件測試和模擬極限工況，如發動機水溫和油溫、ABS試驗時車速和道路附著系數，沒有實際風險；并可通過軟件(模型)、硬件(故障輸入模塊)來模擬開路、與地短接、ECU引腳間短接等錯誤，以及模擬傳感器、執行器出錯情況。

系統標定和測試：在完成關鍵的硬件在環之后，將修正后的控制器連接至真實I/O環境，并進行臺架試驗、道路試驗，直至最后生產出廠。

以上控制器開發“V”模式符合國際汽車行業標準(ASAM/ASAP)，已在諸多著名汽車電子廠家中獲得成功。快速原型和硬件在環是控制器開發的重要環節，目前針對這兩個環節的解決方案普遍面臨成本高的不足。NI根據控制系統的復雜度和I/O數目，為快速原型和硬件在環測試提供不同的、低成本的解決方案。比如對于面向控制算法相對簡單、I/O數目相對較少的車身電子控制的ECU，可選擇CompactRIO平臺進行ECU快速原型和硬件在環測試；針對較為復雜的動力總成系統和主動懸架系統，可選用PXI實時系統平臺。上述平臺均具有開發時間短、通用性、可擴展性、低成本的特點；并在國內外獲得了廣泛應用，如MicroNova，Wineman Technology，KGC，Averna，KPIT Cummins等成功地為整車廠提供了解決方案；在國內，如上海大眾某車型全車多個ECU硬件在環測試是在NI PXI平臺下實現的。

下面舉兩個例子來說明NI軟硬件平臺在控制器快速原型和硬件在環中的應用。