Enclustra FPGA核心板在硬件在環(huán)(HiL)仿真測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過與Enclustra公司合作，MicroNova公司在為汽車環(huán)境和其他市場的電子控制單元（ECU）開發(fā)最先進(jìn)的硬件在環(huán)（HiL）測試系統(tǒng)方面一直處于領(lǐng)先地位。除了高質(zhì)量、高可靠性和高性能之外，Enclustra設(shè)備系列的外形尺寸兼容性也被證明是降低成本、減少工作量和縮短時(shí)間的關(guān)鍵所在。

MicroNova介紹

MicroNova公司總部位于德國，旗下的NovaCarts品牌專門對電子控制單元（ECU）開發(fā)HiL測試系統(tǒng)。該公司在汽車環(huán)境和其他行業(yè)擁有超過35年的服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，其用于電動(dòng)汽車和其他電動(dòng)交通應(yīng)用的ECU測試解決方案是市場上最先進(jìn)的解決方案之一。通過確保人與機(jī)器之間的無縫信息交流，公司的400名技術(shù)精湛的技術(shù)專家正在塑造未來的交通方式。MicroNova使用 Enclustra模塊化系統(tǒng) (SoM) 組件來提高其模塊化NovaCarts HiL測試系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和性能。

NovaCarts Component Test Rack (CTR)

NovaCarts 元件測試機(jī)架 (CTR)

虛擬化車輛進(jìn)行HiL測試可在所有組件完成之前對他們的ECUs進(jìn)行驗(yàn)證，從而縮短新車推向市場所需的時(shí)間。此外，它還允許汽車原始設(shè)備制造商全面模擬各種可以想象到的情況，甚至是那些駕駛實(shí)體車輛超出其運(yùn)行規(guī)范的情況，從而降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。如果個(gè)別ECUs未能通過持續(xù)數(shù)天的測試，則可以診斷出錯(cuò)誤的根本原因，并且對ECU固件進(jìn)行修正和重新驗(yàn)證后再集成到車輛中。

MicroNova的HiL測試系統(tǒng)可加快對控制現(xiàn)代豪華汽車的多達(dá)100個(gè)ECU 的測試和驗(yàn)證。這些系統(tǒng)通過創(chuàng)建車輛及其環(huán)境的虛擬復(fù)制品，模擬由3000 至4000個(gè)傳感器和執(zhí)行器組成的信號(hào)和狀態(tài)。這些信號(hào)包括簡單的模擬和數(shù)字信號(hào)，也包括復(fù)雜的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)和高速傳感器協(xié)議。同時(shí)，它們還運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型來模擬車輛的電機(jī)、電池和周圍物理環(huán)境（如路況）等一切。

由于它們與實(shí)際車輛及其環(huán)境具有極高的保真度，因此測試工程師可以使用 MicroNova系統(tǒng)將車輛ECU直接集成到其提供的模擬硬件和軟件環(huán)境中，從而全面驗(yàn)證車輛ECU的正常運(yùn)行和故障模式。在最佳情況下，ECU應(yīng)該無法識(shí)別它們是連接到測試系統(tǒng)還是真實(shí)車輛。

客戶面臨的挑戰(zhàn)

模擬車輛的所有控制單元、軟件和硬件功能，以及與環(huán)境并行的電子設(shè)備，并通過SPI 以MHz級(jí)零延遲輸出數(shù)據(jù)，這超出了當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)微控制器和軟件的容量和處理能力。因此，MicroNova一直在尋找一種替代解決方案，既能滿足延遲和精度方面的挑戰(zhàn)性要求，又能進(jìn)行定制，以應(yīng)對各種高度特定的任務(wù)。MicroNova決定使用基于Enclustra FPGA SoM的解決方案來解決所有難題。

現(xiàn)代豪華汽車的計(jì)算復(fù)雜性不斷提高，這對MicroNova用于測試和驗(yàn)證控制這些汽車的ECU的解決方案提出了更高的技術(shù)要求。為了精確復(fù)制車輛及其物理環(huán)境，使其與模擬的真實(shí)系統(tǒng)無異，他們的測試系統(tǒng)需要不斷跟上技術(shù)的高速演進(jìn)。

MicroNova NovaCarts測試臺(tái)的龐大規(guī)模增加了額外的挑戰(zhàn)。由于它們可以包含多達(dá)數(shù)千個(gè)I/O，要使所有SoM模塊順利協(xié)同運(yùn)行，就必須開發(fā)一個(gè)上層軟件架構(gòu)。此外，由于他們的測試解決方案被設(shè)計(jì)為長期使用的產(chǎn)品，MicroNova需要一個(gè)面向未來的解決方案，不僅能為客戶提供購買時(shí)所需的高性能I/O板，還能讓他們?nèi)菀椎貙τ布M(jìn)行擴(kuò)展，以滿足不斷演進(jìn)的技術(shù)環(huán)境。

解決方案

MicroNova在評估了自行開發(fā)芯片解決方案的成本和工作量后，決定從外部采購FPGA，用于驅(qū)動(dòng)構(gòu)成其解決方案的I/O板，從而使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂诤诵臉I(yè)務(wù)。最終，他們選擇了Enclustra基于FPGA的系統(tǒng)模塊組件（SoM）作為解決方案的核心，因?yàn)檫@些組件具有高性能和靈活性。

NovaCarts Cell Simulation Board (NC-BEB1000)

NovaCarts 單元模擬板 (NC-BEB1000)

同一系列模塊的外形尺寸兼容性提供了所需的可擴(kuò)展性，而無需花費(fèi)成本和時(shí)間從頭開始重新設(shè)計(jì)解決方案。此外，開箱即用的標(biāo)準(zhǔn)接口（如以太網(wǎng)）簡化了解決方案的開發(fā)。

最初，MicroNova的設(shè)計(jì)基于Enclustra的Mars ZX3 Xilinx Zynq 7020 All Programmable SoC模塊。隨后，他們將設(shè)計(jì)升級(jí)到Mars XU3 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC模塊，從而輕松提升了性能和容量。目前，他們正在將其設(shè)計(jì)遷移到Mercury SoM系列，以滿足新興需求。

火星Mars XU3核心板上視圖

Franz Dengler

Seniorexperte Software und Systeme Hardware in the Loop

"Enclustra設(shè)備系列的外形尺寸兼容性使我們能夠輕松地?cái)U(kuò)大和縮小解決方案的規(guī)模，而無需進(jìn)行大量的開發(fā)工作"。

成果

MicroNova使用Enclustra的模塊化系統(tǒng)解決方案為輸入/輸出（I/O）板提供核心技術(shù)已有8年時(shí)間，他們利用這些板組裝了HiL測試系統(tǒng)。如今，MicroNova的NovaCarts解決方案中使用的每塊I/O板都以Enclustra SoM為核心，該解決方案可為客戶提供多達(dá)數(shù)千個(gè)I/O的可擴(kuò)展測試系統(tǒng)?；贓nclustra Marx ZX3和Mars XU3 SoM的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，MicroNova目前正在開發(fā)使用Mercury模塊系列的下一代I/O板。

該公司的產(chǎn)品組合目前包括約15塊獨(dú)立的I/O板，采用Enclustra基于FPGA的系統(tǒng)模塊組件，這些組件經(jīng)過優(yōu)化，可模擬特定類型的功能。他們的大型測試系統(tǒng)由40至50塊I/O板組成，如下方框圖所示。

通信架構(gòu)基于以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)運(yùn)行。操作員PC控制著實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)，模擬模型在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行。實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)從ECU執(zhí)行器讀取數(shù)據(jù)，并將模擬傳感器的數(shù)值寫入IO板。精確度可達(dá)一毫秒。

Franz Dengler

Seniorexperte Software und Systeme Hardware in the Loop

"盡管面臨芯片危機(jī)帶來的挑戰(zhàn)，Enclustra 在我們的解決方案開發(fā)過程中一直是非常可靠的合作伙伴。當(dāng)我們遇到問題時(shí)，他們總能提供支持，不論是在業(yè)務(wù)方面，還是在技術(shù)方面，以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)"。