1. 為何需要硬件故障植入？

在許多硬件在環(huán)（HIL）試系統(tǒng)中，硬件故障植入用于在電子控制單元（ECU）與系統(tǒng)其他部分之間添加信號(hào)故障，進(jìn)而測試、特性描述或驗(yàn)證ECU在特定失效條件下的性能。 故障植入通常用于特定ECU（如汽車、飛機(jī)、航天器和機(jī)械的 ECU）需要對(duì)故障條件產(chǎn)生已知且可接受的響應(yīng)的情況。 這一操作需要將故障植入單元（FIU）安裝到測試系統(tǒng)I/O接口和ECU之間，使測試系統(tǒng)可在正常運(yùn)行與故障狀態(tài) （如電池短路、接地短路或開路）之間切換。

圖1顯示了FIU如何安裝到HIL測試系統(tǒng)中。 請(qǐng)注意，故障植入可做為I/O與ECU之間的閘門。

圖1.動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)中FIU的典型安裝位置。

2. FIU的架構(gòu)

FIU的一個(gè)常見配置是“故障總線拓?fù)洹保‵ault bus topology），每個(gè)通道可對(duì)一個(gè)或多個(gè)故障總線開路或短路。 在此拓?fù)渲校總€(gè)FIU通道均由3個(gè)單刀單擲（SPST）繼電器組成。 通道的第一組繼電器用作為通路 （Pass-through），在默認(rèn)運(yùn)行模式下，此繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)，且FIU不受ECU與測試系統(tǒng)的影響。

圖2. 默認(rèn)運(yùn)行模式下的FIU，所有信號(hào)均可通過

開路故障

如果要仿真開路或中斷故障，測試應(yīng)用與待測設(shè)備（DUT）之間的信號(hào)線應(yīng)處于開路狀態(tài)，以確定信號(hào)中斷之后待測設(shè)備的響應(yīng)。 用戶可斷開此繼電器來模擬意外斷電或開路狀態(tài)，或者在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)閉合繼電器，模擬間歇性連接或接觸不良的情況。

Figure 3. 圖3. 使用FIU在通道1上模擬開路故障

接地短路或電源短路

若要模擬接地或電源短路，則將信號(hào)線從外部故障線路或故障總線連接至待測設(shè)備。 故障總線可配置為仿真電源線、系統(tǒng)接地或系統(tǒng)的其他電源。

圖4. 使用FIU在通道1上模擬電源短路故障

引腳間短路s

如果要模擬引腳間短路，可將待測設(shè)備的信號(hào)線路連接至1個(gè)或多個(gè)額外待測設(shè)備信號(hào)線。

圖5.使用FIU在通道0和通道1之間模擬引腳間短路故障

3. 基于PXI的FIU的優(yōu)勢

PXI具備觸發(fā)與同步功能，是理想的FIU環(huán)境。 由于HIL測試系統(tǒng)通常使用基于PXI的I/O，因此PXI也可提供仿真度極高的開關(guān)信號(hào)。 這些系統(tǒng)通常通過嵌入式實(shí)時(shí)處理軟件（如 NI VeriStand）來進(jìn)行控制，因此基于PXI的FIU可讓工程師輕松地通過編程來選擇和控制運(yùn)行其模型與測試序列的接口的故障。 NI最近剛發(fā)布了其首款FIU -NI PXI-2510， 這是一款專為HIL應(yīng)用所設(shè)計(jì)的68通道150 V 2 A FIU。 NI PXI-2510具有68個(gè)饋通（Feedthrough）通道，對(duì)一個(gè)或兩個(gè)故障總線開路或短路。 此外，每個(gè)故障總線包含一個(gè)4x1輸入多路復(fù)用器，因此用戶可通過軟件控制植入更多類型和數(shù)量的故障，因而具有更高靈活性

圖6. NI PXI-2510 68通道2 A FIU

除了可輕松集成HIL測試系統(tǒng)之外，NI PXI FIU還具有安全性、可靠性和連接性等硬件相關(guān)的優(yōu)勢。

安全性

由于故障植入往往需要高電壓與電流，且安全性是HIL應(yīng)用的重中之重，因此NI在設(shè)計(jì)FIU時(shí)尤其注重安全性。 具體來說，所有NI FIU均兼容IEC 61010-1國際標(biāo)準(zhǔn)，且設(shè)計(jì)均通過第三方機(jī)構(gòu)（如 UL）的檢驗(yàn)。 最后，每個(gè)FIU在發(fā)貨之前均先經(jīng)過測試，以確保其功能性與安全性。

可靠性

與安全性一樣， 可靠性也是長期測試一個(gè)主要考慮因素。 雖然機(jī)電式繼電器均號(hào)稱可運(yùn)行數(shù)百萬個(gè)周期，但在正常負(fù)載條件下其使用壽命仍非常有限。 為了提高長期可靠性，PXI-2510集成了板載繼電器計(jì)數(shù)跟蹤，可讓用戶了解繼電器已運(yùn)行的周期數(shù)。 這也有助于用戶決定何時(shí)進(jìn)行維護(hù)與更換。 PXI-2510還提供用戶可更換的繼電器套件，用戶可在繼電器生命周期結(jié)束出現(xiàn)正常繼電器故障時(shí)自行進(jìn)行更換。 另外，使用過程中，不可預(yù)見的情況也會(huì)導(dǎo)致繼電器由于電壓或電流過高而出現(xiàn)意外損壞，在這種情況下，用戶可更換的繼電器套件就派上用場了。 最后，為確保機(jī)械可靠性，每個(gè)FIU的設(shè)計(jì)均必須通過加速壽命測試 （Highly accelerated life test，HALT），以確保FIU在高振動(dòng)環(huán)境中的機(jī)械完好性，因而可在惡劣環(huán)境中使用。

連接性

由于故障植入應(yīng)用往往涉及大量通道，且必須使用高電壓/電流，因此在布線和連接時(shí)必須非常注意，但這一點(diǎn)往往容易被忽視。 PXI-2510提供了三種連接方式 – 螺絲接線端、裸線以及DIN連接器。 這三種連接方式經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，保證了安全性、可靠性以及信號(hào)接線端屏蔽性能，從而提供了完整的連接解決方案。 這種設(shè)計(jì)可降低噪聲和串?dāng)_現(xiàn)象，同時(shí)還可減少系統(tǒng)輻射。

如需進(jìn)一步了解PXI-2510的接線選項(xiàng)，可查看 “如何連接信號(hào)至PXI-2510”教程。。

除了專為故障植入設(shè)計(jì)的產(chǎn)品之外，NI還提供各種通用的開關(guān)產(chǎn)品，可用于自行設(shè)計(jì)故障植入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 其中一個(gè)例子是 NI PXI-258610通道12 A SPST模塊，該模塊可用于創(chuàng)建多重故障植入拓?fù)?，包?通道雙總線FIU和9通道單總線FIU，詳情可參閱 本教程。如需了解可用于故障植入應(yīng)用的NI開關(guān)完整列表，可參閱NI開關(guān)選型指南。

4. 將PXI FIU集成至HIL測試系統(tǒng)

在選擇FIU時(shí)，系統(tǒng)集成 （包含軟件在內(nèi)）是最后一個(gè)要考慮的重要因素。 在Windows環(huán)境中，可通過專門用于開關(guān)調(diào)試的圖形化工具NI-SWITCH軟件前面板（SFP）來配置和測試PXI FIU。 對(duì)于自動(dòng)化控制，內(nèi)含的NI-DAQmx硬件驅(qū)動(dòng)結(jié)合LabVIEW Real-Time和Windows，可通過編程訪問模塊的所有功能。

HIL測試系統(tǒng)通常通過NI VeriStand進(jìn)行控制，NI VeriStand是一個(gè)用于配置實(shí)時(shí)測試應(yīng)用的現(xiàn)成軟件環(huán)境。 用戶也可通過NI VeriStand輕松控制NI PXI FIU，這意味著用戶可在同一個(gè)環(huán)境中管理FIU；配置Real-Time I/O、激勵(lì)配置文件、數(shù)據(jù)日志和警報(bào)；開發(fā)控制算法/系統(tǒng)仿真；創(chuàng)建運(yùn)行時(shí)可編輯的用戶界面等。 如需進(jìn)一步了解如何使用NI VeriStand配置PXI-2510，可參閱 “在NI VeriStand中使用NI PXI-2510”在線教程。

圖7. 通過NI VeriStand控制FIU

針對(duì)更高級(jí)且高時(shí)效性的控制，每個(gè)FIU模塊可通過PXI背板傳送/接收觸發(fā)信號(hào)。 輸入觸發(fā)信號(hào)將可讓開關(guān)提前至FIU硬件上加載的預(yù)定義列表中的下一個(gè)故障位置。 輸出觸發(fā)信號(hào)則可用于啟動(dòng)PXI系統(tǒng)中其他儀器的測量作業(yè)。 對(duì)于自動(dòng)化測試應(yīng)用，實(shí)時(shí)仿真的觸發(fā)信號(hào)可通過故障條件發(fā)送至序列，而對(duì)于需要更復(fù)雜序列和動(dòng)態(tài)故障控制的應(yīng)用，一個(gè)或多個(gè)FIU可使用PXI FPGA模塊經(jīng)由PXI背板發(fā)送/接收觸發(fā)信號(hào)。

結(jié)論

如果應(yīng)用對(duì)ECU可靠性要求非常高，則應(yīng)考慮使用FIU。 NI所提供的軟硬件架構(gòu)均可將FIU集成至HIL測試系統(tǒng)中來提升設(shè)備的安全性與可靠性。

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