菜鸟教程：硬件在环仿真测试入门

菜鸟教程：硬件在环仿真测试入门

对于控制器的开发，基于模型的开发方式（Model based development）越来越成为主流。在这个开发模式中，硬件在环仿真测试（Hardware-in-loop，HIL）是一种典型的测试方法。

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关于为什么要进行硬件在环仿真（HIL），前文已经做了详细介绍。

实时仿真之  快速控制原型（RCP）与硬件在环仿真（HIL）129 赞同 · 18 评论文章

简而言之，硬件在环仿真，是将真的控制器连接假的被控对象（用实时仿真硬件来模拟），以一种高效、低成本的方式对控制器进行全面测试。

一般而言，做HIL测试的前提是控制器已经开发好，需要在理想或安全的环境下，测试控制器的功能是否正常。在该应用场景中，实时仿真硬件（或者说HIL台架）充当被控对象，以实时的方式运行被控对象模型，并模拟各类故障等。实时仿真硬件（或者说HIL台架）本质上来说，就是要尽可能逼真地模拟真实被控对象，以有效地欺骗控制器，让控制器以为它正在控制一个真实的被控对象。

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HIL系统是通过实时主机运行被控对象的模型，并通过IO端口连接至被测的控制器。一般而言，HIL系统的IO通道方向与控制器的方向相反。

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HIL台架供应商有不少，每家的形式略有不同，本文以基于Speedgoat的硬件在环仿真测试HIL台架为例，进行介绍。

@二流半仙儿

兄台已经对此做了详细介绍，可以参看此文。该文侧重于测试流程，而本文侧重HIL台架本身，做一个入门、基础的介绍。

根据不同的需求，HIL硬件小则可做成桌面式，大则可做成机柜式。考虑到介绍的全面性，本文以机柜式为例。

1. HIL机柜看起来那么复杂，都有些什么东东？

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当我第一眼看到上图这样的HIL机柜的时候，我是懵的……上面一排排的面板、一个个的插孔，完全是丈二和尚摸不着头脑……然后打开机柜的门，看到里面的布线，就更懵了。

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以至于，在刚开始接触HIL的那段时间里，我看到机柜是发憷的，这玩意实在是太复杂了。但如果真的理清了它的结构，实际上整个HIL机柜也并没有那么复杂。一般而言，完整的HIL系统拓扑结构如下：

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为什么需要上图中这么多东东？我们可以来理一下思路：

HIL测试，首先肯定需要有一个被控对象的模型去模拟被控对象的状态，那么必然需要有一个处理器去运行模型，而且得是带实时操作系统的处理器，这就是第一个东东——实时主机（Real Time Target Computer）。

实时主机中运行的模型，是一个纯虚拟的东西。而控制器的接口是真实的电气接口，没法直接跟虚拟的模型连接。这时候就需要给实时主机提供IO板卡，虚拟的模型通过这些IO板卡获得真实的电气接口，用以跟控制器连接。

然而很多时候，控制器接口的电气规格和实时主机的IO板卡的电气规格是不一致的，比如控制器接口是24V的，而IO板卡接口是5V的，这时候就需要信号调理模块去将不一致的规格调理成一致，比如说把5V转换成24V。

真实的被控对象中，会有一些执行器被控制器所控制，这些执行器被称为负载。在HIL测试中，我们需要模拟这些负载，这就是负载仿真。

有时候为了让HIL机柜更接近真实的被控对象，会把一些真实的执行器和真实的传感器接入到HIL机柜中，所这就是Real Loads/Real Sensors，有些机柜会提供一个专门的负载抽屉来放置这些设备。

对于汽车来说，车上会有一个车载电源，给车内设备和控制器供电，因此HIL机柜需要一个设备去模拟车载电源，这就是HIL机柜中的程控电源，电源电压可以通过软件来控制。

真正开车的时候，传感器、执行器等等都有可能出现故障，比如短路、断路等等，HIL测试也要模拟这些故障，这就是故障注入模块。

这样一来，整个结构和原理就很清晰。我们再来更详细地说明下各个模块（并不是每个HIL系统都包括了所有以下模块，简化的情况下可能只有少数一两个模块）。

· Real Time Target Computer + IO（实时主机和IO板卡）：实时系统的核心部分，主要是实时处理器加外围IO。这里的IO通道一般根据被测控制器的接口信息调整。比如当被测控制器的通道为模拟输入时，此时HIL系统一般配模拟输出，以此类推。在配置系统时需注意要预留一定的IO通道。

· Signal Conditioning（信号调理）：信号调理模块，主要是因为控制器接口的规格和实时系统的IO规格可能不一致，所以需要一些信号调理板卡，将实时系统的IO规格转换成控制器所需要的规格。比如控制器的数字输入信号的规格是12V的，而实时系统的模拟输出规格是5V的，那么就需要一个5V转12V的信号调理模块。

· FIU（故障注入）：故障注入模块，串接在控制器和实时系统IO线束上的开关矩阵，用于控制模拟控制器引出线束上的一些故障，比如短路、断路等。故障注入是HIL测试的一个重要环节，可以测试控制器在发生故障情况下的反应。

· Load Simulation：负载仿真。当控制器工作时，部分通道需要输出电流控制某些继电器、阀体等。如果将这些通道直接连接到实时系统IO上，由于实时系统IO的阻抗很高，不能产生足够的电流。因此需要在通道上连接一些负载，让控制器可以正常工作，不会被诊断存在问题。

· Real Loads/Real Sensors：当有一些传感器/负载无法有效模拟时，可以连接真实的负载或传感器。但真实传感器的信号需要由实时系统控制或读取，真实负载的驱动信号也要有实时系统读取，然后参与模型运算。

· 程控电源：由实时系统控制的供电模块，模拟车载低压电池的供电。同时该供电也是作为故障注入单元，负载仿真的参考点等。

· 上位机：上位机用于搭建模型、编译下载、监控模型运算，同时通过标定诊断工具，读取控制器中变量。运行自动化测试软件。

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2. HIL模型怎么建？

HIL机柜中需要运行被控对象模型，以模拟被控对象的状态。用户可以使用MATLAB和Simulink相关工具箱构建被控对象模型，Speedgoat HIL机柜支持将Simulink模型一键编译下载到实时处理器中。Simulink模型主要分为两类：数学模型（主要基于Simulink基础工具箱）和物理模型（基于SimScape）。

2.1 数学模型

MATLAB提供了各个领域的一些示例模型，供用户参考使用。比如在汽车领域，有燃油车、纯电车、混动车（P0/ P1/ P2/ P3/ P4 ）。

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https://www.mathworks.com/help/releases/R2020a/autoblks/examples.html#d2e19www.mathworks.com/help/releases/R2020a/autoblks/examples.html#d2e19

Example List - MATLAB & Simulink

车辆参考模型www.mathworks.com/help/releases/R2020a/autoblks/examples.html#d2e19

参考模型是类似这样的：

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2.2 物理模型

SimScape工具箱在电机、电力电子等领域使用尤其广泛。SimScape模型可在Speedgoat的CPU中直接运行，这部分内容我们不做详述。CPU因为本身的一些限制，导致无法将模型运行周期降低到亚微妙级别，这时候需要引入FPGA来运行这些高速模型。

Speedgoat结合MathWorks的HDL Coder，完美支持将SimScape模型运行在Speedgoat的FPGA中。

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3. 一套HIL多少钱？

这是用户最常问的一个问题，在需求不确定的情况下，这个问题很难回答。一套HIL可能从几十万到上千万不等，完全取决于需求。一套HIL的费用主要包括以下三部分：

硬件的费用

硬件包括上文提到的实时主机和IO板卡、信号调理模块、故障注入模块、程控电源、负载仿真等等，如果这些模块都要配备，那么硬件的费用也不低，但基本很少会超过100万。如果要做自动驾驶的HIL，或者功率级、机械级的HIL，那么硬件的费用会非常高。

很多HIL测试的需求，其实没有那么复杂，负载仿真、程控电源、故障注入等等可能都不需要。这个时候，就不一定要集成为机柜的形式，可以直接将实时主机、IO板卡、信号调理模块等放在桌面上，做成桌面级的HIL，先对来说，成本能降低不少。

软件的费用

除了基础的MATLAB/Simulink，HIL测试中还需要实验管理软件、自动化测试软件等等，这些软件的总费用加起来也可能达到几十万。基于Speedgoat的HIL测试，基本上所有工作都是All in Simulink：实验管理软件用的是Simulink自带的Simulink Real-Time Explorer，自动化测试软件用的是Simulink Test。除了MATLAB/Simulink，可以做到无需额外的软件费用。

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服务的费用

服务包括：被控对象模型开发、闭环调试、测试用例编写等等。对于汽车行业，这些已经是比较标准的服务内容了，费用一般也不低。对于其他行业的应用，尤其是用户自己开发被控对象模型，那么也就不存在服务费用了。

总的来说，对于HIL测试，穷有穷的方案，富有富的玩法，一切都得先从需求谈起。