硬件在环测试框架：分布式HiL仿真方法解析

### 硬件在环测试框架：分布式HiL仿真方法解析 #### 1. HiL仿真概述 HiL（Hardware-in-the-Loop）仿真技术是将真实系统的部分组件用数学模型模拟替代的一种技术。与纯软件仿真相比，HiL仿真能提供对硬件特性的访问，从而增加仿真的真实感。在集成系统中应用HiL测试程序，需要在模拟器和被测集成系统（ISUT）之间找到合适的接口。 本文提出了一种用于DECOS集成架构的分布式HiL仿真方法。该方法引入了智能虚拟传感器（SVT）的概念，SVT可替代ISUT的物理传感器，且不会对ISUT产生探测影响，从而使ISUT能以非侵入的方式连接到HiL模拟器。每个SVT通过标准化的时间触发数字接口与分布式环境模拟器的其他组件通信，并模拟特定传感器的接口。这种概念降低了HiL仿真的设置复杂度，并为集成架构提供了良好设计的可扩展接口。 #### 2. 相关工作 HiL仿真涉及实时系统的物理硬件组件（节点），因此需要构建环境模拟器来模拟这些节点的环境。若分布式实时系统中只有部分节点存在，缺失的节点需用集群模拟器进行模拟。 HiL模拟器有多种应用场景，例如在车辆和移动机器人的实时HiL仿真中，可避免对这些系统进行大量的形式化分析；在交通控制领域，HiL仿真可用于微调交通控制器中的信号定时计划，同时保护子供应商的知识产权。 市面上的HiL仿真系统种类繁多，从针对单个电子控制单元（ECU）测试的简单模拟器，到能够测试大型分布式实时系统的复杂模拟器都有。简单HiL模拟器如Altera的DSP Builder和Hitex的Tanto2 Test，将单个硬件目标直接连接到执行环境仿真的开发PC。复杂HiL模拟器可分为单体式和分布式两种： - **单体式HiL模拟器**：使用单个设备，配置为特定被测系统（SUT）提供所有所需接口，如dSpace、The Mathworks、National Instruments和Pi Technology等公司提供的产品。这些产品可配备各种模块化I/O板和处理器板，以适应特定的HiL仿真系统。 - **分布式HiL模拟器**：由多个相互作用的节点组成，能够执行分布式仿真模型。每个节点可配备特定应用的I/O硬件，如Applied Dynamics International、Opal-RT和RTDS Technologies等公司提供的产品。分布式模拟器通过交换SUT接口可见的数据（模拟电子接口）或仿真模型中但SUT接口不可见的数据（虚拟接口）进行交互。 然而，现有的HiL仿真解决方案缺乏一种可扩展的方法来实现HiL模拟器组件之间的确定性交互，且没有针对集成架构的HiL仿真方案。 #### 3. 集成系统 许多大型应用（如汽车或航空航天领域）由多个近乎独立的应用子系统（DAS）组成。DAS是整体应用的主要组成部分，由更小的功能单元（作业）构成。例如，在汽车领域，动力总成子系统、舒适子系统和多媒体子系统都是DAS的例子；在航空电子应用中，机舱增压系统、电传飞行系统和机上娱乐系统也是DAS。 本文提出的HiL仿真框架适用于集成架构，即单个分布式计算机系统作为多个DAS的执行平台。分布式计算机系统的每个节点计算机包含一个或多个DAS的作业，连接节点计算机的通信网络用于传输多个DAS作业之间的消息。 下面详细介绍DECOS架构的结构元素，该架构将用于构建HiL仿真框架： - **通信网络**：集成架构的通信网络执行时间触发协议（如TTP、FlexRay）。选择时间触发通信协议的原因是其适用于超可靠系统，具有低抖动的消息传输保证、节点计算机之间的错误隔离以及容错分布式全局时钟服务等特点。 - **节点计算机**：节点计算机为一个或多个DAS的多个共置作业提供执行环境。每个作业实现部分应用功能，并由单个组织实体负责。计算资源（如内存、CPU时间）的分配通过支持故障隔离和模块化认证的分区操作系统进行。分区操作系统实现空间和时间分区机制，以封装各个作业，确保作业的定时故障不会影响其他作