9.3.1 实时硬件平台
9.3.1.1 实时硬件主要构成
实时硬件平台的主要组成部分包括实时处理器、I/O板卡、故障注入单元（Failure Injection Unit，FIU）、通信接口、负载箱、信号调理单元、可编程电源、机柜和分线箱（Break Out Box，BOB）等，如图9-4所示。
1）处理器：处理器为硬件在环设备的核心部件，其中运行着实时仿真模型。
图9-4 HiL测试设备示意图
2）I/O板卡：控制器与HiL设备的电气交互，包括通用的数字信号输入输出通道、模拟信号输入输出通道、PWM信号输入输出通道、电阻信号通道等以及一些控制器专用信号，如发动机曲轴凸轮轴转速传感器信号模拟、氧传感器信号模拟、喷油器信号采集通道等。
3）信号调理：用于对I/O板卡输入输出的信号进行处理及保护，如信号放大、过电流保护等。
4）负载箱：用于放置与ECU连接的真实负载，如离合器电磁阀、发动机喷油器等。
5）故障注入单元：用于模拟各类实车故障。故障注入单元串联在控制器与传感器或执行器的回路中，通过切换不同的继电器使控制器的管脚与不同的部件相连，实现各类故障的模拟。
6）设备电源：用来给整个机柜供电。
7）BOB：断路分线盒。
8）电池模拟模块：用来模拟车载电源。
9）电流测量板卡：测量控制器管脚输出的电流。对控制器接负载的输出通道，设备通过测量输出电流来监测控制器对负载的控制，如发动机控制器控制喷油器的输出电流测量、变速器控制器控制电磁阀的输出电流测量等。进行执行机构故障模拟时有些故障会产生很大电流，如电动机堵转故障，比正常工作电流高很多，此时需要配置大电流故障注入板卡。
9.3.1.2 实时硬件需求
一般硬件在环设备价格昂贵，其功能要尽可能的涵盖多种自动变速器控制器的测试，根据自动变速器针脚定义（如表9-1），统计控制器中的各类型信号的数量，然后选择具有充足资源的IO板卡，尤其通用的数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出、电阻通道、PWM等通道，使设备具有的电气通道能够完全覆盖自动变速器控制器的电气通道。需要故障注入的信号可根据电流大小选配不同型号的故障注入板卡。
表9-1 自动变速器控制器信号列表
1.电源模拟
可选择市场成熟的可编程电源作为设备电源，另外配置电源适配器为ECU供电。一般要求有5个以上受控电源输出，允许持续电流8A以上。
2.数字及PWM输出通道的模拟
数字及PWM输出的模拟方式如图9-5所示，HIL测试系统的数字输出（DO）及PWM输出通过调理模块调理后，触点的一端接地或者接电源，另外一端接ECU的输入端。一般要满足以下要求。
1）输出可以配置为上拉、下拉等方式。
2）参考电压支持外部输入，范围：5～60V。
3）最大输出电流：≥50mA。
4）分辨率：≥32bit。
5）输出短路保护。
6）输出过压保护，保护范围：-15～60V。
7）PWM输出频率：≥100kHz，输出占空比：0～100%。
3.模拟量输出通道的模拟
DA的模拟原理如图9-6所示，HiL的DA通道通过模拟输出调理板卡接到ECU相应的管脚。一般要满足以下要求。
1）分辨率：≥12bit。
2）输出电压：0～10V。
3）电流驱动能力：≥5mA。
4）差分输出。
5）输出短路保护。
6）输出过压保护，保护范围：-15～50V。
7）精度：±5mV。
图9-5 数字及PWM通道模拟示意图
图9-6 模拟输出通道示意图
4.数字及PWM输入通道(https://www.daowen.com)
数字及PWM输入通道模拟的原理如图9-7所示，HIL的DI或PWM通道通过数字及PWM调理板接到ECU相应的管脚。一般要满足以下要求。
1）分辨率：≥32bit。
2）输入电压范围：0～+60V。
3）输入同相逻辑，阀值电压（阀值电压指的是用来区分高低电平的电压）值可调。
4）输入阻抗：≥1MΩ。
5）频率范围：0～100kHz。
图9-7 数字及PWM输入通道模拟示意图
5.模拟量输入通道
AD的模拟方式如图9-8所示，HIL的AD通道通过模拟输出调理板接到ECU相应的管脚。一般要满足以下要求。
1）分辨率：≥14bit。
2）输入电压范围可：0～50V。
3）差分输入。
4）通道转换时间：≤3μs。
5）精度：±5mV。
6）输入阻抗：≥1MΩ。
图9-8 模拟量输出通道模拟示意图
6.电阻通道模拟
对于温度传感器，对应的需要模拟不同温度下的电阻值，通过电阻仿真板卡直接仿真，电阻仿真板卡一般要满足以下要求。
1）分辨率：≥12bit。
2）电阻值范围：20Ω～500kΩ程控连续可调。
3）电阻精度满量程：≥±1%。
7.故障注入模拟
故障注入模块可以在控制器的各个管脚任意的产生故障，可以分为两种：一种是驱动装置的故障注入模块，一种是传感器专用的故障注入模块，为了不要浪费资源和成本，通常会根据控制器的测试的需求来选择配置。以SAE的规范来看，以离合器位置传感器为例，故障一般包含以下5种：
1）P0805 Clutch Position Sensor Circuit。
2）P0806 Clutch Position Sensor Circuit Range/Performance。
3）P0807 Clutch Position Sensor Circuit Low。
4）P0808 Clutch Position Sensor Circuit High。
5）P0809 Clutch Position Sensor Circuit Intermittent。
其中包含了短接到地、短接到电源、接触不良和信号合理性故障等，故障注入模块主要原理如图9-9所示（以dSPACE硬件在环设备为例）。图中硬件在环设备包含3个部分。
图9-9 故障注入原理示意图
1）控制器供电部分（ECU Power Supply）：用来给控制器提供电源，并对数模转换（DAC）模块进行信号调理。
2）实时仿真硬件部分（Realtime Hardware）：DS100x为实时处理器，其中运行仿真模型，DS814用来实现PC机与实时处理器DS100x的通信。DS2211为I/O板卡，将模拟的传感器信号经信号调理后输出至TCU，或采集控制器输出的控制信号。
3）故障注入及负载箱部分（Load&FIU Rack）：TCU控制器的故障注入一般有传感器故障注入和执行机构的故障注入两种，故障发生时都串接在各自的回路中。传感器故障注入单元（Sensor FIU Card）串联在I/O板卡和TCU之间，故障注入单元的继电器切断传感器与控制器的直接连接，而向控制器注入故障信号。执行机构的故障注入单元串接在控制器和负载之间，在Midplane中的信号调理模块中设有观测点，采集执行机构的电流信号，用来判断执行机构的控制是否正确。观测信号利用I/O板卡DS2211采集，并通过实时处理器在PC机上显示。
PC机利用故障注入软件设定要模拟的传感器或执行器故障并将信号通过通信板卡DS814传递给设备处理器DS100X，经过处理器运算后经IO板卡DS2211将控制信号输出至故障注入板卡，对其中的相关继电器进行操作，继电器的切换可以使TCU的管脚与不同的部件相连，实现不同的故障。如果与地线相连则ECU的这个管脚就实现了与地的短接，如果与电源相连，则能实现ECU管脚对电源的短接。
负载箱用于安装真实负载或模拟负载，与控制器相连的接头布置在负载箱的背部，接头包含来自于信号调理板和控制器的信号，也可以连接模拟负载。负载箱可以根据线束的长度，独立分布各负载，并能够简单地替换ECU和其负载。负载箱如图9-10所示。
图9-10 负载箱示例