一种汽车硬件在环仿真测试系统和测试方法
【专利摘要】本发明公开一种汽车硬件在环测试系统，包括一台工控机、待测控制器部件、PCI总线形式的数据采集卡和PCI接口的CAN卡以及信号调理电路，所述工控机安装有MATLAB/Simulink软件平台、Labview软件和Teststand软件平台，所述工控机通过数据采集板卡和CAN卡与待测控制器部件通信。该测试系统占用资源少、造价低廉、配置简单且方便实用，在一台工控机上既能实现目标机实时仿真的功能，又能控制和查看上位机的监控界面功能，实现在线调参和数据记录，该测试方法运行速度快，适用范围广，拥有不同型号数据采集板卡的现成驱动可供用户使用。
【专利说明】一种汽车硬件在环仿真测试系统和测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种硬件在环仿真测试装置，更具体的说是应用于电动汽车的各控制 部件开发流程中的实验系统，用于缩短产品开发时间，减少人力和资金的投入汽车硬件在 环仿真测试系统。
【背景技术】
[0002] 随着国内外各大汽车厂商对电动汽车的加大投入研发和我国政府的相关扶持政 策，电动汽车的普及指日可待。电动汽车的各控制部件是电动汽车的一项关键技术，而在各 控制部件的过程中，对控制部件做测试的环节是必须的，对测试的要求也越发的急迫。然 而，传统的控制部件开发测试须等汽车样机开发出来之后才能进行，这样的流程不仅周期 长、效率低、成本高，而且还可能因为控制算法的错误导致设备的损坏甚至发生危险。这就 给控制部件的开发带来了困难。
[0003] 硬件在环测试（hardware-in-the-loop，HIL)技术是将系统的一部分以数学模型 描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物(或物理模型）方式引入仿真回路。该 技术能确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试。到系统整合阶段开始时，嵌入式软 件测试就要比传统方法做得更彻底更全面。这样可以及早地发现问题，因此降低了解决问 题的成本。HIL硬件在环仿真测试已经成为汽车各控制器开发流程中非常重要的一环，减少 了实车路试的次数，缩短开发时间和降低成本的同时提高控制器的软件质量，降低汽车厂 的风险。
[0004] Matlab/simulink中的Real-Timeworkshop (RTW)工具箱可将图形化语言转化为 可执行的代码语言，方便的实现实时仿真。XPc Target (xPc目标）是针对RTW体系结构的 一种实时仿真系统构建途径，支持多种类型的I/O设备（包括PCI和ISA以及RS232等）， 它采用的是上位机和目标机"双机模式"。其中，上位机用于运行Sim Ulink，Statefl〇W等 工具包，并且具有目标代码编译器。目标机则实时运行所生成的代码。xPC提供了一个高 度的实时内核运行在目标机上。上位机和目标机通过网线连接进行通信，使用xPC Target 可以构建硬件在环仿真测试系统。但是该种"双机仿真"的方法必须使用两台计算机来运 行，占用资源较多，配置通讯，调试复杂。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用一台PC机 (工控机）构造一个占用资源少、造价低廉、配置简单且方便实用的汽车硬件在环测试系统， 以使开发设计过程更加快捷、方便、高效。
[0006] 本发明为了达到上述目的采用如下技术方案： 一种汽车硬件在环测试系统，包括一台工控机、待测控制器部件、PCI总线形式的数据 采集卡和PCI接口的CAN卡以及信号调理电路，所述工控机安装有MATLAB/Simulink软件 平台、Labview软件和Teststand软件平台，所述工控机通过数据采集板卡和CAN卡与待测 控制器部件通信。
[0007] 所述的工控机是上位机和目标机一体机，利用MATLAB/Simulink建立整车仿真模 型，通过Real-time windows target (RTWT)工具箱与I/O板卡进行通讯，由Labview与 MATLAB进行联合仿真，通过Simulation interface tookit (SIT)工具包完成参数映射，实 现在线调整参数，结果显示在同一台工控机的监控界面上。
[0008] 所述的Teststand软件用于测试序列的开发、管理和执行，对待测控制部件各种 工作情况、误操和故障情况的自动测试。
[0009] 所述的数据采集板卡插在工控机主机内部卡槽PCI和ISA总线上，采用A/D转换、 D/A转换和数字I/O接口来处理和传送数据，PCI接口上还插有用于CAN总线数据通讯的 CAN卡，所述数据采集板卡通过调理电路与待测控制部件连接，所述调理电路用于调整和计 算信号电压，所述数据采集卡和CAN卡用于采集工控机发出的指令，通过调理电路的调理 将对应的电信号传递给待测控制器，并将待测控制部件的信号经过调理电路的处理反馈上 传给工控机。
[0010] 所述的待测控制部件为电池管理系统，所述的电池管理系统由单片机电路板和相 应外围I/O接口电路组成，所述电池管理系统接收从MATLAB/Simulink仿真模型中发送的 电池信息，经过电池管理系统单片机电路的处理和计算后将荷电态S0C、电池健康状态S0H 以及采集到的有关电池状态的各项参数返回给模型。
[0011] 所述的电池信息包括单体电压、电池温度、蓄电池总体电压、蓄电池总体电流和绝 缘阻抗。
[0012] 一种汽车硬件在环测试方法，其特征在于，包括下列步骤： 1) 利用MATLAB/Simulink构建整车的仿真模型，确定参数模型； 2) 安装Real-time windows target实时内核，去掉仿真模型中BMS部分，在模型中添 加 RTWT板卡接口驱动模块，通过Real-time workshop功能，将所构建的mdl型模型文件自 动生成C语言，转化为实时系统，在模型窗口选择External模式，单击Connect to target 选项进行连接； 3) 通过Labview制作上位机界面，利用SIT Server工具包可以将需要在线更改的模 型参数与Labview前面板映射起来，通过操作前面板的虚拟仪器按键就可在线更改模型参 数，通过Teststand编写测试用例，模拟电动汽车遇到的各种情况，验证待测控制部件的控 制效果是否满足要求。
[0013] 相对于现有技术，本发明具有的有益效果体现在：该测试系统占用资源少、造价 低廉、配置简单且方便实用，在一台工控机上既能实现目标机实时仿真的功能，又能控制和 查看上位机的监控界面功能，实现在线调参和数据记录，该测试方法运行速度快，适用范围 广，拥有不同型号数据采集板卡的现成驱动可供用户使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明 作进一步详细说明。
[0015] 图1为本发明汽车硬件在环测试系统的原理框图； 图2为本发明汽车硬件在环测试系统测试电池管理系统的原理框图； 图3为本发明汽车硬件在环测试系统测试电池管理系统的工作流程图； 图4为本发明汽车硬件在环测试系统的整车仿真模型原理图； 图5为本发明汽车硬件在环测试系统测试电池管理系统的信号传递图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明 如图1所示，一种汽车硬件在环测试系统。硬件在环测试硬件装置包括上位机和目 标机一体式工控机1、在工控机主机中内置的数据采集板卡7、CAN通讯卡6、待测控制部件 5、数据采集板卡7与待测控制部件5之间需加入调理电路8,用来调整和计算信号电压； 软件装置包括MATLAB/Simulink软件平台4，Labview软件3和Teststand软件平台2。 MATLAB/Simulink软件平台4负责开发整车仿真模型，并利用Real-time Workshop (RTW) 工具包将仿真模型mdl文件自动生成C代码，经过编译链接形成可执行文件，这样就可以将 非实时的模型转化为实时可执行程序，此外MATLAB/Simulink还提供了 RTWT功能，RTWT利 用一个实时内核在Windows操作系统接收工控机时钟中断之前来阻止其他应用程序对操 作系统的任何调用，使得实时应用程序具有可获得的最高优先级，即运行在CPU的零环，该 内核将内置的PC时钟作为时钟源；然后利用定时器中断来触发已经编译成实时应用程序 的Simulink模型的执行，保证了应用程序的实时运行；同时，通过将编译后的实时应用程 序中的所有模型部件、模块之间的连接、时间从属关系及变量的二进制形式等在Simulink 扩展模式下进行集成，通过对Simulink模型与可执行程序之间的校验求和来确保两者之 间的一致性，实现了将Simulink模型作为实时应用程序用户接口的目标。在RTWT能下可 以在线修改Simulink模型中实时可执行应用程序的参数，通过RTWT中的数据采集模块库 可以简化各种信号采集程序的编制，可以方便的通过数据采集板卡向外部发送命令和采集 数据。
[0017] Labview软件平台3能与MATLAB/Simulink软件平台4进行联合仿真，将需要在线 调整的Simulink模型参数通过SIT工具包映射在Labview相应选项卡中，在Labview中完 成相应设置后，建立起Labview和MATLAB的连接。制作Labview监控界面的前面板，通过 前面板上的旋钮和数据输入框等在线调整模型参数，并通过编写Labview数据采集程序， 将数据结果实时的显示在监控界面前面板上。
[0018] TestStand平台2是一种随时可运行的测试管理软件，可以加速开发测试与验证 装置，它专为测试步骤序列的自动执行而设计。这些测试步骤可以是单个测试、测量、动作 或命令。TestStand用于测试序列的开发、管理和执行。这些测试序列集成了采用任一测试 编程语言编写的测试模块。通过编写测试代码，利用TestStand可以完成对待测控制部件 各种工作情况、误操和故障情况的自动测试。
[0019] 数据采集板卡7可以使用内置式数据采集板卡直接插在工控机1的主机卡槽上， 也可以使用非内置的数据采集板卡。数据采集板卡7的输入输出端连接调理电路8,信号通 过数据采集板卡7后，进入调理电路8进行调整后再发送至待测控制部件5。同样，IPU反 馈的信号也需要通过调理电路8进行调整之后才能发送到数据采集板卡7,进而反馈到模 型之中，形成回路。
[0020] 下面以测试电池管理系统为例进行说明。 实施例
[0021] 如图2所示待测控制部件为电池管理系统9,电池管理系统9由单片机电路板和相 应外围I/O接口电路组成，电池管理系统9接收从MATLAB/Simulink仿真模型中发送的电 池信息包括单体电压、电池温度、蓄电池总体电压、蓄电池总体电流和绝缘阻抗，经过电池 管理系统9单片机电路的处理和计算后将荷电态S0C、电池健康状态S0H以及采集到的有关 电池状态的各项参数返回给模型。
[0022] Simulink模型10采用去除电池管理系统的整车模型，其中加入模型库中自带的 数据采集接口驱动模块，如果模型库中没有相对应数据采集板卡或者CAN卡的驱动模块， 可以自己利用C S-FUCTI0N结合硬件信息编写驱动。模型中的循环工况11使用NEDC工况 作为输入。
[0023] 本发明工作的具体流程如图3所示。首先利用MATLAB/Simulink构建整车的仿真 模型，确定参数模型调试通过(模型在环测试，MIL)，整车模型(第4部分）使用基于驾驶员 模型的前向仿真建模方法，原理图如图4所示。
[0024] 其次安装Real-time windows target实时内核，去掉仿真模型中BMS部分，在模 型中添加 RTWT板卡接口驱动模块，通过Real-time workshop功能，将所构建的mdl型模型 文件自动生成C语言，转化为实时系统。在模型窗口选择External模式，单击Connect to target选项，连接成功后，单机运行，此时模型和板卡进行通信，开始实时运行。运行中可在 线更改需要的模型参数，更改以后运行结果实时发生变化。
[0025] 然后制作调理电路板，将电池管理系统采集进来的信号和模型发送给电池管理系 统的信号进行调理，变为电池管理系统和工控机可以接受识别的电信号，完成相互通信。
[0026] 最后通过Labview制作上位机界面，利用SIT Server工具包可以将需要在线更改 的模型参数与Labview前面板映射起来，通过操作前面板的虚拟仪器按键就可在线更改模 型参数，通过Teststand编写测试用例，模拟电动汽车遇到的各种情况，验证电池管理系统 或者电机控制器的控制效果是否满足要求。
[0027] 图4中BMS部分在硬件在环测试中需要去除，测试电池管理系统时替换成电池管 理系统实物接入系统中。
[0028] 需要注意的是，电池管理系统硬件或者电机控制器的实物指的是电池管理系统中 的弱电部分，也就是控制板，而不包括强电部分。
[0029] 图5是电池管理系统硬件电路测试的信号流，标明了测试过程中需要传递的数据 信号。其中电池管理系统采集动力电池中的单体电压、总电压、总电流、温度等信号，将信号 处理运算后得出的筛选后的温度、电压、电流以及电池组的S0C和S0H值发送给整车控制 器，参与整车控制策略的逻辑运算，并接收整车的控制信号，进行对电池组等部件进行相应 调整。动力电池可以外接220V充电。
【权利要求】
1. 一种汽车硬件在环测试系统，其特征在于，包括一台工控机、待测控制器部件、PCI 总线形式的数据采集卡和PCI接口的CAN卡以及信号调理电路，所述工控机安装有MATLAB/ Simulink软件平台、Labview软件和Teststand软件平台，所述工控机通过数据采集板卡和 CAN卡与待测控制器部件通信。
2. 根据权利要求1所述的汽车硬件在环测试系统，其特征在于，所述的工控机是上位 机和目标机一体机，利用MATLAB/Simulink建立整车仿真模型，通过RTWT工具箱与I/O板 卡进行通讯，由Labview与MATLAB进行联合仿真，通过SIT工具包完成参数映射，实现在线 调整参数，结果显示在同一台工控机的监控界面上。
3. 根据权利要求1所述的汽车硬件在环测试系统，其特征在于，所述的Teststand软件 用于测试序列的开发、管理和执行，对待测控制部件各种工作情况、误操和故障情况的自动 测试。
4. 根据权利要求1所述的汽车硬件在环测试系统，其特征在于，所述的数据采集板卡 插在工控机主机内部卡槽PCI和ISA总线上，采用A/D转换、D/A转换和数字I/O接口来处 理和传送数据，PCI接口上还插有用于CAN总线数据通讯的CAN卡，所述数据采集板卡通过 调理电路与待测控制部件连接，所述调理电路用于调整和计算信号电压，所述数据采集卡 和CAN卡用于采集工控机发出的指令，通过调理电路的调理将对应的电信号传递给待测控 制器，并将待测控制部件的信号经过调理电路的处理反馈上传给工控机。
5. 根据权利要求1或3或4所述的汽车硬件在环测试系统，其特征在于，所述的待测控 制部件为电池管理系统，所述的电池管理系统由单片机电路板和相应外围I/O接口电路组 成，所述电池管理系统接收从MATLAB/Simulink仿真模型中发送的电池信息，经过电池管 理系统单片机电路的处理和计算后将荷电态SOC、电池健康状态SOH以及采集到的有关电 池状态的各项参数返回给模型。
6. 根据权利要求5所述的汽车硬件在环测试系统，其特征在于，所述的电池信息包括 单体电压、电池温度、蓄电池总体电压、蓄电池总体电流和绝缘阻抗。
7. -种汽车硬件在环测试方法，其特征在于，包括下列步骤： 1) 利用MATLAB/Simulink构建整车的仿真模型，确定参数模型； 2) 安装Real-time windows target实时内核，去掉仿真模型中BMS部分，在模型中添 加 RTWT板卡接口驱动模块，通过Real-time workshop功能，将所构建的mdl型模型文件自 动生成C语言，转化为实时系统，在模型窗口选择External模式，单击Connect to target 选项进行连接； 3) 制作调理电路板，将电池管理系统采集进来的信号和模型发送给电池管理系统的信 号进行调理，变为电池管理系统和工控机可以接受识别的电信号，完成相互通信； 4) 通过Labview制作上位机界面，利用SIT Server工具包可以将需要在线更改的模 型参数与Labview前面板映射起来，通过操作前面板的虚拟仪器按键就可在线更改模型参 数，通过Teststand编写测试用例，模拟电动汽车遇到的各种情况，验证待测控制部件的控 制效果是否满足要求。
【文档编号】G05B23/02GK104062969SQ201410315424
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】周荣宽, 韩晓东, 王秀锐, 赵峰, 席安静 申请人:清华大学苏州汽车研究院（吴江）