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    NI半实物仿真平台系统构架主要包括cRIO实时控制器（内置嵌入式处理器）、可重配置FPGA、及模块化I/O构成。CompactRIO的RIO（FPGA) 核心内置数据传输机制，负责把数据传到嵌入式处理器以进行实时分析，数据处理，数据记录或与联网主机通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能，用户可以直接访问CompactRIO硬件的每个I/O模块的输入输出电路。所有I/O模块都包含内置的接口，信号调理，转换电路（如ADC或DAC），以及可选配的隔离屏蔽。这种设计使得低成本的构架具有开放性，用户可以访问到底层的硬件资源。
    下面以柴油机电控系统（ECU）的开发和测试为例简要介绍NI半实物仿真系统的开发流程。
1、ECU半实物仿真系统总体结构
    ECU半实物仿真系统由目标ECU、实体执行机构和仿真控制与监测模块三部分构成，总体结构见图10。

图1 ECU半实物仿真系统结构图

    硬件在环仿真系统无柴油机燃烧过程，用伺服电机模拟不同工况的柴油机运转，为ECU和仿真系统提供转速信号；电机带动绝对式角度传感器提供曲柄转角信号；变频电机驱动高压燃油泵和伺服油泵组成供油模块；燃油喷射模块和排气阀驱动模块是实体执行机构，根据ECU的电信号控制伺服油驱动燃油喷射阀与排气阀启闭。仿真控制与监测模块由配置了FPGA芯片的cRIO控制器、PXI主机和工控机IPC)组成，与目标ECU组建CAN网络进行数据通讯；报警模块通过串口(RS232)接收PXI主机发出的某参数越限报警信号，控制继电器发出声光报警。
2、ECU半实物仿真平台硬件组成
    1 仿真控制与监测模块
    仿真控制与监测模块硬件采用NI公司cRIO(采用可重新配置I/O及FPGA技术实现超高性能和可自定义功能)、PXI主机以及可热插拔工业cRIO I/O模块。
    cRIO控制器为200 MHz类奔腾实时处理器，安装VxWorks实时操作系统，能可靠执行LabVIEW Real-Time应用程序，实现实时控制、数据分析、记录和通信等功能；PXI主机选用8106实时处理器，配置可带4个R系列扩展机箱(支持cRIO I/O模块)的PXI 7813R FPGA板卡。cRIO控制器和PXI主机都可借助LabVIEW FPGA的基本I/O功能，将硬件与每个I/O电路直接连接：使用嵌入式RIO FPGA硬件，能实现40MHz(25ns)单周期定时循环.PXI主机配置了PXI 8464CAN卡，与cRIO系统9853CAN模块和应用模块构成CAN网络。cRIO I/O模块具有内置式信号调理功能，可直接与传感器和激励器相连。硬件配置能满足硬件在环仿真系统信号同步采集、快速计算与输出及系统实时监测等功能。
    2 信号I/U转换及滤波
    考虑现场环境干扰，传感器输出信号选用电流信号，但为保证采集信号的同步，选用的NI-9215 I/O模块为电压采集模块，因此需将信号在采集前端进行电流/电压线性转换。设计中采用RURR-BROWN精密I/U变送器RCV420芯片，其转换精度为0.1％，共模抑制比CMB达86dB，共模输入范围达±40 V，保证了4mA～20 mA电流与0~5 V电压的线性对应，在软件上，利用NI LabVIEW数字滤波器设计工具包(Digital Filter Design Toolkit)，根据信号种类采用不同算法设计数字滤波器，将滤波器Ⅵ编译后自动生成的FPGA代码部署到RIO FPGA硬件中。
3、仿真控制与监测模块软件设计
    柴油机仿真控制和监测模块软件以NI LabVIEW 8.5为开发环境，利用Real-Time、FPGA Toolkit完成对板卡和模块可重配置FPGA程序的开发，再通过LabVIEW编译服务器对LabVIEW代码进行编译得到Bit File并部署到硬件设备；实现LabVIEW(Windows)和LabVIEW实时应用程序的集成。
    1 仿真控制模块
    对ECU参数标定、性能试验及控制策略研究，要关注的是ECU与柴油机外部性能参数间关系，可不考虑柴油机内部热力过程，只要柴油机仿真模型能较真实地模拟柴油机的负载特性，其测试结果就能反映ECU实际配机性能。柴油机仿真控制模块通过I/O硬件实时采集喷油量、排气阀升程信号等，经仿真模型计算，向ECU发送控制信号，同时驱动曲轴电机提供相位信号，结构见图11。

图2 仿真控制模块结构图

    仿真控制程序在cRIO控制器上运行，信号同步采集、滤波处理、逻辑运算和输出刷新均在FPGA上完成。实时控制器中主要完成整型到浮点工程单位转换的数据换算，实时FIFO数据缓存、CAN通讯和FPGA程序间数据传输。为保证大量数据传送实时、同步和完整，程序采用了DMA和IRQ数据通讯方式。
    （1） 燃油喷射控制仿真
为了测试不同负荷下ECU对燃油喷射的控制，燃油喷射控制仿真模块由位移传感器测量燃油活塞位移(油量信号)，绝对式角度编码器测量曲柄转角，旋钮电位器模拟柴油机负荷，输入cRIO控制器FGPA I/O模块，经FPGA VI与cRIO控制器Real-Trine VI数据交换，单位换算和燃油喷射模型计算得出当前柴油机转速，由D/A输出以调节曲轴电机转速。进气压力影响喷油正时，为使仿真模型更为精确，查表得到仿真归纳的模拟进气压力，修正曲轴电机转速，使之与柴油机实际值更接近。
    （2） 排气阀控制仿真
    排气阀控制仿真程序分为FPGA VI和Real-T'ime VI两部分。FPGA VI完成各缸排气阀开启、关闭信号、排气阀升程信号采集、IRQ中断、DMA配置、与Real Time连接、数据交换及逻辑判断；Real-Time系统VI是整个仿真模型程序：逻辑判断、内存分配、数据转换和保存、DMA通道竞争裁决等。当系统运行时，FGPA VI判断首次接收的排气阀开启信号是否为实体排气阀装置所发出，若是其它模拟气缸发出，则调用存储在cRIO控制器内经仿真计算的排气阀升程信号，通过模拟量输出模块提供给ECU。若是实体排气阀装置所发出，则FPGA VI采集此冲程实体排气阀装置的升程信号，并记录当前曲柄转角，同时开启DMA通道，将采集到的信号传送到cRIO控制器内存中。当检测到排气阀装置关闭信号时，停止升程信号采集。该冲程其它模拟气缸升程信号，以内存中实体排气阀装置升程信号为“缸平移”递推基准；一旦有虚拟气缸排气阀开启，则将保存的升程信号由另一DMA通道传回FPGA VI，通过电流模块输出给ECU。
    2 监测模块
    测试研究ECU控制策略，需采集记录ECU相关输入输出信号，系统设有专门监测模块对信号进行同步采集、分析、显示和存储，并对参数越限进行逻辑比较，通过串口输出至报警模块，驱动声光报警。
    系统根据LabVIEW支持子VI调用模式，采用模块化设计方法，可简化程序，提高程序执行率。为保证数据采集同步，PXI实时操作系统每采集一角标信号同时记录当前时钟，并把该时钟下所有同步信号如曲轴转速、燃油活塞位移、针阀升程、排气阀升程等信号打包，生成以角标基础的数据包，通过DMA传输方式送至RT系统内FIFO中，再将数据包通过TCP/IP网络上传至工控机，进行数据转换、分析、显示、保存和回放。
    基于LabVIEW、cRIO控制器的高压共轨柴油ECU硬件在环仿真系统，在LabVIEW环境可调用LabVIEW FPGA模块和重新配置型输入/输出模块，可方便实现不同的测控方案，提高了硬件资源利用率。基于曲轴转角的缸平移算法简化了仿真模型，提高了模型的实时。由于系统尚未建立低速柴油机的数学模型，在以后工作中需根据记录的数据和信息，细化仿真模型以提高模型精度。所设计的系统为测试、分析和开发高压共轨柴油机的ECU系统提供了研究平台；可节省ECU测试试验费用、缩短ECU开发优化周期。