在电子测试中运用基于PXI的故障注入与传感器仿真技术

电子控制单元（ECU）如今已处于几乎所有车辆系统的核心位置，从防抱死制动系统到电池管理系统皆是如此。在电动汽车中，这些单元负责控制那些一旦出现故障就会危及安全的功能。这一现实给测试工程师带来了巨大压力：必须证明ECU在各种可能的正常与异常工况下都能表现出可预测的行为，而且不能等待实体原型出现或冒着使用昂贵硬件的风险。

硬件在环仿真（HILS）正是为满足这一需求而存在的。它允许你在车辆上路之前，就在模拟的运行环境中验证ECU的行为表现，其应用范围可从早期原型测试一直延伸到大规模生产测试。

HILS的工作原理

HILS将控制器发出的真实信号传输到能够模拟最终系统运行的测试平台。激励装置用电子仿真器替代ECU在现实环境中的传感器，而测量装置则用于采集并验证ECU的控制输出。其目标有两个：一是确认在已知良好的条件下ECU能正常工作，二是确保在出现故障时ECU能够保护车辆及其乘员。

以防抱死制动系统为例。如果在车轮速度传感器出现故障时驾驶员仍踩下刹车踏板，ECU仍需尽可能快速且安全地让车辆停止。借助HILS，无需构建实际的物理环境，即可模拟该故障传感器以及无数其他故障组合。设计与验证的流程与测试成品时完全相同，但却能避免制造真实故障所带来的成本、时间消耗及安全隐患。

传统故障注入方法的局限性

那些对安全性要求极高的ECU需要经过认证测试，在测试中会人为引入一系列预设故障，以确认该装置能够以安全且可预测的方式作出响应。多年来，工程师们一直依赖手动接线板来注入这些故障。电缆将ECU的输入/输出线路与测试及测量仪器相连，通过断开线路来模拟开路状态，或将其连接在一起以模拟对地、对电压源或其他输入/输出线路的短路。调整电缆位置后测量结果，再重复此过程。

这种方法存在明显的缺点：

体积庞大。接线板通常体积较大，会占用宝贵的测试台空间。

速度慢。手动操作效率低下，不适合大规模测试。

重复性差。人为干预容易引入误差，且难以生成可追溯的测试报告。

成本。维护和人工成本较高，且该流程依赖于完善的、专业化的知识体系。

在任何验证项目中，能够快速准确地重现失败的测试条件都是极大的优势，而手动修复方式则与这一目标背道而驰。

利用PXI实现故障注入自动化

通过对仪器路由及实时电气故障注入进行软件控制，可以彻底改变这一流程。其原理很简单：切换模块位于仿真器与被测设备之间，既可以原封不动地传递信号，也可以根据指令施加各种故障条件。

大多数应用至少需要模拟以下几种故障类型：

与被测设备的开路连接

被测设备引脚之间的短路

与地线或电源的短路

电阻性故障

与其选择成本高昂、受专利限制且仅支持单一应用的HILS系统，从而被束缚在某一家供应商手中，您完全可以利用PXI标准及最先进的模块来构建系统。PXI具有坚固耐用、模块化且可扩展的特点，其机箱级的触发与定时功能能够满足对确定性实时行为及故障注入的需求。Pickering Interfaces是首家推出专为故障注入设计的PXI切换器的供应商，他们提供的可扩展型故障注入单元（FIU）完全可以替代传统的配线面板。

像Bloomy这样的集成商在此基础上开发了他们的通用测试系统（UTS）平台，将PXI切换功能与仿真技术结合为标准化、可重复使用的功能测试架构。正是这种标准化使得成本控制更为有利——在多个项目中复用同一模块化平台可以避免重复设计，降低非重复性工程成本，并能让您将相同的测试资源从原型验证一直用到生产环节。

如果担心切换噪声的问题，可以将FIU置于独立的Pickering LXI/USB机箱中，远离敏感仪器。无论模块位于PXI机箱还是LXI/USB机箱中，软件驱动程序都保持不变，因此集成工作量也不会有所改变。

模拟传感器环境

全面的HILS测试意味着要模拟ECU预期接收到的所有类型传感器信号。基于PXI的模块可覆盖汽车及电动汽车设计中常见的各类传感器：

热电偶模拟。毫伏级模拟模块可提供8至32通道的精确低压信号源，覆盖三个电压范围，适用于大多数类型的热电偶。内置继电器可模拟每通道的开路状态。

LVDT/RVDT/解算器模拟。单槽模块可模拟最多4通道的5线或6线LVDT、RVDT或解算器信号，或8通道的4线LVDT/RVDT信号。其激励电压范围为0.25 VRMS至38 VRMS，频率范围为300 Hz至20 kHz，可覆盖大多数实际使用的设备。板载继电器可为每个输入和输出端口实现开路及短路模拟功能。

当前为环路仿真功能。模拟输出模块可模拟4–20 mA工业控制收发器，具备可编程的斜率、多种输出模式，以及为每个通道内置的短路和开路检测继电器。全隔离模式可避免地环问题。

电池组仿真功能。用于电动汽车电池管理系统（BMS）测试时，单块电池模拟模块可提供2节、4节或6节隔离的电池单元，电压范围1 V至7 V时的精度可达±5 mV。750 V的隔离屏障可支持串联式电池组架构。

可编程电阻器。共有350多种模块型号，其中部分产品的精度优于0.1%，分辨率低于2 mΩ，可帮助您在软件控制下自动实现电阻故障模拟以及RTD或应变片仿真。

从原型到量产的扩展

对于引脚数量较多的设计，基于BRIC格式的放大版FIU矩阵模块可处理复杂的传感器与控制单元仿真，通道数可按20或31的倍数扩展。统一的软件驱动程序可支持整个FIU及所有仿真功能，因此系统规模扩大时无需重写测试代码。

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