閉環(huán)應用在當今許多新興技術(shù)中得到廣泛傳播。基本上，傳感器確定執(zhí)行器必須如何操作才能達到預期結(jié)果，不斷適應環(huán)境的變化。一個很好的例子是汽車的巡航控制，其中傳感器測量速度和其他參數(shù)，駕駛員按照眾多電子控制單元（ECU）之一中的算法對油門進行操作。

現(xiàn)在想想巡航控制如何適應傾斜、風切變和重新武裝的變化。許多熟悉的概念在這里發(fā)揮作用：反應時間、延遲、階躍響應、壓擺率、過沖、負載調(diào)節(jié)。是的，我們都希望巡航控制系統(tǒng)在坡度變化時保持穩(wěn)定的速度，并在重新武裝時輕輕地達到巡航速度。它最終取決于閉環(huán)延遲，即自測量變化并采取行動進行補償以來所經(jīng)過的時間。閉環(huán)延遲涉及傳播速度、轉(zhuǎn)換時間和處理時間。高延遲（如低相位裕量）會使速度振蕩。

圖 1 描述了巡航控制的潛在駕駛場景。如速度圖所示，巡航控制系統(tǒng)對重新布防（階躍響應）和坡度變化（負載調(diào)節(jié)）反應良好，但對風切變的反應為時已晚。功率圖顯示了巡航控制系統(tǒng)為適應不斷變化的條件所做的工作。

圖1.巡航速度控制場景中的速度和功率與時間的關(guān)系

讓我們考慮制造商的一面。假設(shè)您必須在 7 種不同的發(fā)動機上測試電子控制單元和巡航控制軟件，其中包含數(shù)百個測試用例。讓真正的汽車全天候巡視賽道是不切實際的。那么，為什么不將ECU連接到模擬汽車行為的設(shè)備呢？該模擬器可以 24/7 全天候運行，無需人工干預即可驗證軟件中的每個微小更改。

這就是我們所說的硬件在環(huán)（HiL）。該技術(shù)包括用能夠連接用于傳感和控制的信號的仿真器替換系統(tǒng)的一部分，目的是在多種條件下驗證另一部分。

汽車許多部件的電氣化促進了這一過程的自動化，因為ECU和仿真器之間的許多交互可以在電氣層面進行。

圖2.使用 HiL 用自動化實驗室測試取代現(xiàn)場測試

從傳感器捕獲的信號和驅(qū)動執(zhí)行器的信號可以是數(shù)字或模擬的，因此仿真器必須包括快速精確的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。從捕獲點到驅(qū)動點的延遲必須盡可能小，以最大限度地擴大可以使用仿真器的應用程序范圍。需要高分辨率和高精度來模擬某些傳感器和執(zhí)行器的大動態(tài)范圍。

仿真器還可以包括DSP或FPGA，用于處理輸入并在連續(xù)流上生成輸出。該器件的延遲會增加總數(shù)，并且可能很大，尤其是在使用FIR濾波器的情況下。

圖3.硬件在環(huán)系統(tǒng)測試ECU的概念圖

總延遲包括ADC和DAC的轉(zhuǎn)換時間、與FPGA之間的數(shù)字傳輸時間、FPGA中的處理時間和DAC輸出的建立時間。讓我們看一個使用真實設(shè)備的示例：

圖4.使用ADAQ23876和AD3552R實現(xiàn)硬件在環(huán)系統(tǒng)

表 1.硬件在環(huán)系統(tǒng)各元件的數(shù)據(jù)速率和延遲

某些操作可以重疊以提高信號鏈的更新速率，從而提供更高的信號帶寬。但是，閉環(huán)帶寬仍受總延遲的限制。換言之，器件無法補償持續(xù)時間小于信號鏈延遲的變化。例如，采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理在DAC的建立時間內(nèi)進行，從而實現(xiàn)10 MSPS的采樣速率。

硬件在環(huán)仿真器用于多個技術(shù)領(lǐng)域：

ECU 驗證和測試。硬件在環(huán)系統(tǒng)模擬汽車的行為，產(chǎn)生ECU讀取的信號并檢查其產(chǎn)生的響應。接口可以是全電氣的，也可以通過執(zhí)行器（DAC驅(qū)動產(chǎn)生信號的傳感器）。

燃燒/電動/混合動力總成仿真。仿真可以在兩個級別進行：

功率級別。電動機使用電子負載進行仿真，HiL系統(tǒng)合成轉(zhuǎn)速和位置信號。

機械水平。硬件在環(huán)系統(tǒng)控制電制動器并合成轉(zhuǎn)速、扭矩和位置信號。

電池管理系統(tǒng) （BMS） 測試或電池組仿真。硬件在環(huán)系統(tǒng)模擬每個電池單元的電壓，并提供預期的電流。它還可以提供健康信號，例如溫度。

電動汽車/光伏逆變器驗證和測試。硬件在環(huán)系統(tǒng)控制電子負載并綜合負載處的電流和電壓測量值。

在測試響應時間短的設(shè)備時，硬件在環(huán)系統(tǒng)是強制性的。除此之外，HiL平臺的使用允許在多種場景中自動驗證這些設(shè)備，并提供廣泛的測試計劃，并確保在所有條件下都滿足嚴格的要求。這種覆蓋水平在現(xiàn)場測試中是不切實際的。

HiL的一個關(guān)鍵部分是信號接口，特別是模擬I/O，它必須快速和準確，需要新的精密ADC和DAC寬度。

審核編輯：郭婷