應用舉例一：Yamaha摩托車控制系統快速原型測試

美國Drivven公司承擔為Yamaha YZF-R6 摩托車開發發動機控制系統原型項目。項目要求：毫秒級的控制器模型循環時間；微妙級的噴油和點火正時；并考慮摩托車空間受限、設備供電等因素。

Drivven在經過市場調查之后，最終選擇NI CompactRIO嵌入式系統平臺。該平臺包括實時嵌入式控制器、內置FPGA芯片的機箱以及內置信號調理的模塊。整個系統具有小型、堅固、9-35V直流供電，適應復雜的測試環境和有限的測試空間。FPGA芯片是CompactRIO體系結構的核心，但設計者借助LabVIEW FPGA模塊，無須硬件描述語言和相關專業知識，便可在WINDOWS操作系統上用圖形化方法開發自定義的FPGA邏輯代碼并下載。該平臺又是一個開放的平臺，既可選用現成的針對不同信號類型的模塊，又可自己開發自定義模塊。Drivven根據項目需求，開發了模數混合模塊、燃料噴射模塊、氧傳感器模塊、可變磁阻和霍爾模塊等。

通過LabVIEW實時模塊編程實現高性能賽車常用的速度密度法和節氣門開度速度法組合控制策略。速度密度法是指利用發動機轉速和進氣密度來計算各缸進氣量，系統驅動噴油器提供所需的油量，以滿足各種節氣門狀態下的理論空燃比要求和在節氣門全開情況下的最大扭矩需求，應用于低轉速、低負荷工況。節氣門開度速度法是指根據兩者參數值在二維圖表上查找空氣質量經驗值。

將CompactRIO原型平臺布置在該摩托車上，進行試驗，系統和程序界面如圖2、圖3所示。試驗結果表明：發動機轉速可高達15500RPM；能很好地實現噴油、點火正時等策略。同時，實時控制器可記錄下試驗過程中包括進氣氣壓和溫度、大氣氣壓、冷卻水溫度、節氣門位置、噴油初始角、點火提前角等參數。Drivven公司總裁Carroll G. Dase表示：“和過去類似項目相比，利用CompactRIO平臺從過去兩人一年的工作量并耗費50萬美金下降到三人一個月的工作量且只需花費15000美金?！?/p>

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圖2 發動機控制器硬件原型

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圖3 發動機原型上位機測試界面

應用舉例二：MicroNova發動機硬件在環測試

德國MicroNova公司面臨在短時間內開發緊湊的、高精度的板卡用于汽車發動機管理系統硬件在環測試，要求能夠仿真2缸、4缸、6缸和12缸完整的測試環境的項目需求。

基于對PXI平臺模塊化、靈活性的了解，MicroNova選擇了NI PXI平臺，包含PXI-8196實時嵌入式控制器、PXI-7831 FPGA板卡、PXI-6723模擬輸出板卡以及PXI CAN模塊。其中，PXI-7831是能提供模擬的輸入輸出、數字的輸入輸出、PWM生成和測量的標準板卡，并可通過LabVIEW FPGA編程實現曲軸、凸輪軸、爆震、點火等非標準信號。通過LabVIEW仿真接口工具包集成已有的在Simulink環境下開發的仿真器模型，協同TESIS DYNAware提供的發動機模組來構建虛擬的測試環境，并運行于PXI實時控制器中。MicroNova開發了信號調理模塊，對信號大小、I/U、U/I、U/R等進行調理，以滿足類似ECU電流在休眠模式下為幾個μA，而工作模式時可達50 A的需求。此外，系統還包括Magneti Marelli ECU、故障輸入模塊和真實負載。

整個硬件在環測試系統的軟件架構如圖4所示，包括FPGA目標、實時系統和上位機三個部分，其中上位機為用戶操作界面和自動化測試管理程序。該系統具有小型化、高精度、開發時間短、低成本的特點。不僅可直接使用已有的模型、接口板等；又可根據系統需求進行模塊替換或擴展；板載FPGA便于實現靈活的可重復配置，但無需復雜的軟件硬件知識；通過PXI背板總線實現數量眾多的I/O在不同的總線速度下同步。

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圖4 MicroNova發動機硬件在環測試軟件架構

該平臺已成功用作BMW某12缸直噴發動機的硬件在環仿真器；還可用于其它不同系列發動機，如：含可變氣門驅動、可調式凸輪軸控制、直噴技術的V-12和6缸直列發動機；帶渦輪增壓、空氣中冷4缸直列共軌柴油機；用于摩托車的進氣管噴射、2個爆震傳感器和雙節氣門的V-2發動機。

3. 總結：

目前，基于PC技術的控制器開發“V”模式已成為汽車ECU開發一套行之有效的方法。對于其中快速原型和硬件在環兩個關鍵環節，設計者可根據ECU I/O數量和控制邏輯的復雜度選擇對應的CompactRIO平臺或PXI平臺，且整個系統是在圖形化設計工具LabVIEW下實現的，無需復雜的軟硬件知識；均具有成本低、開發時間短、可擴展性、通用性等特點。