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硬件在环

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硬件在环仿真 (Hardware-in-the-loop simulation, HiLHIL) ,是一种用于实时嵌入式系统的开发和测试技术。硬件在环仿真提供动态系统模型,可以模拟真实的系统环境,加入相關動態系统的數學表示法,并通过嵌入式系统的输入输出将其与仿真系统平台相连。動態系统的數學表示法稱為「受控設備仿真」,嵌入式系统控制模擬受控設備,以測試系統。

硬體在環的原理

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硬件在環(HIL)仿真必須包括感測器以及致動器的電子仿真,這些電子仿真是仿真的受控設備以及待測嵌入式系统的介面。電子仿真感測器的數值是由仿真的受控設備所控制,再由待測嵌入式系统讀取。待測嵌入式系统會實現控制演算法,改變讓致動器控制信號。控制信號的變化就會改變模擬受控設備的控制輸入以及內部狀態。

例如,防鎖死煞車系統(ABS)開發的HIL仿真平台可能會有以下子系統的仿真受控設備[1]

  • 车辆动力学,例如懸吊系統、輪子、輪胎、俯仰(pitch)、偏擺(yaw)及翻滾(Roll)
  • 剎車系統液壓元件的動態
  • 道路特性

用途

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有些嵌入式系統,最快速測試的方式是將系統連接到真實的受控設備。不過有些情形用HIL仿真會更有效率。開發及測試效率的評定,一般會包括成本、需要時間、安全以及可行性等因素。

某一方案的成本需考慮其設備以及投入心力的總成本。開發以及測試需要的時間會影響產品的上市時間。在費用評估時也會考慮安全因素以及開發時間。以下的一些情形會特別需要使用硬件在环仿真。

強化測試品質

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導入HIL可以增加測試的範圍,因此可以強化測試的品質。 理想上,嵌入式系統的測試要配合真實的受控體進行,不過真實的受控體會有一些限制,這些限制也會影響測試的範圍。例如,測試真實的引擎控制器可能會讓測試工程師處在以下的危險情境中:

  • 在特定控制器參數(例如引擎參數)的範圍邊界上(或是邊界以外)測試。
  • 在失效的條件下測試及確認系統。

在上述的測試情境下,HIL可以有效的控制系統,並且提供安全的測試環境,讓測試工程師及應用工程師可以專注在控制器的性能上。

開發時程緊湊

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車輛、航太或是國防武器的開發時程緊湊,無法在有原型之後才開始測試。事實上,大部份新的開發時程都會假設在產品開發時,就已經同步進行HIL仿真。例如内燃机完成原型,可以配合控制系統測試時,其中95%的測試可能已經先用HIL仿真測試過[來源請求]

航太或國防產業常常會規劃相當緊的時程。飛機以及車輛的開發一般會用電腦以及HIL同時進行設計、測試以及整合。

高負擔率的受控設備

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有些應用的實際受控設備比高保真度的實時仿真器還貴,使用實際受控設備的負擔率較高。因此配合HIL仿真器開發及測試會比用實際受控設備要經濟。例如對於喷气发动机製造商而言,HIL仿真是发动机開發的基礎。像開發飛機喷气发动机的全权数字发动机控制(FADEC)就是高負擔率受控設備的一個例子。喷气发动机造價高達上百萬美元,相反的,進行喷气发动机製造商完整測試所需要的HIL仿真器,價格可能只需要喷气发动机的十分之一。

提早進行人因工程的開發

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不同領域的應用

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車輛系統

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在汽車應用當中「硬件在環仿真提供了一台供系統確認級驗證用的虛擬車輛。」[2]。由於在針對发动机控制器的性能及診斷機能評估,若都要在汽車內進行測試,會有耗時、昂貴而且無法重現的問題。HIL仿真可以讓開發者評估新的硬體及軟體對策,滿足品質相的要求以及上市時間英语time-to-market的限制。在典型的HIL器中,會用特製的實時處理器處理仿真引擎動態的數學模型,而且I/O單元可以連接車輛的传感器执行器(多半是高度非線性的元件)。最後將待測的电子控制器(ECU)連接到此系統,再用一些仿真器產生的車輛行為來確認系統的行為。

在文獻中有提過幾種專門針對HIL的應用,也用依特殊需求訂製的簡化版HIL仿真器[1][3][4]。例如若測試新發行的电子控制器軟體,可能會在開迴路下進行測試,因此不需要太多的引擎動態模型。此時的策略就限制在分析有控制輸入時的电子控制器輸出。此時微HIL系統(MHIL)是較簡單而且較經濟的對策[5]。因為省略了複雜的模型處理,全階的HIL系統可以簡化為包括信號產生器,I/O版,以及包括致動器信號的面板的可攜型HIL系統。

相關條目

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參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 T. Hwang, J. Rohl, K. Park, J. Hwang, K. H. Lee, K. Lee, S.-J. Lee, and Y.-J. Kim, "Development of HIL Systems for active Brake Control Systems", SICE-ICASE International Joint Conference, 2006.
  2. ^ S.Raman, N. Sivashankar, W. Milam, W. Stuart, and S. Nabi, "Design and Implementation of HIL Simulators for Powertrain Control System Software Development", Proceedings of the American Control Conference,1999.
  3. ^ A. Cebi, L. Guvenc, M. Demirci, C. Karadeniz, K. Kanar, and E. Guraslan, "A low cost, portable engine electronic control unit hardware-in-the-loop test system", Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2005.
  4. ^ J. Du, Y. Wang, C. Yang, and H. Wang, "Hardware-in-the-loop simulation approach to testing controller of sequential turbocharging system", Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics, 2007.
  5. ^ A. Palladino, G. Fiengo, F. Giovagnini, and D. Lanzo, "A Micro Hardware-In-the-Loop Test System", IEEE European Control Conference, 2009.