福特和NI，成功為汽車燃料電池系統(tǒng)設(shè)導(dǎo)入了實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)電子控制設(shè)備（ECU），顯著改善燃料電池系統(tǒng)使其較之于傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)更具競(jìng)爭力，同時(shí)在商業(yè)上切實(shí)可行——是我們面臨的主要挑戰(zhàn)。

方案：使用NI LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA模塊及NI CompactRIO控制器為汽車燃料電池系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)，并使用LabVIEW和一個(gè)實(shí)時(shí)PXI 機(jī)箱硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。

自1992年以來，F(xiàn)ord Motor公司就開始專注于研發(fā)燃料電池系統(tǒng)。雖然燃料電池系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的基于內(nèi)燃機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)更具競(jìng)爭力，但在我們?nèi)〉弥卮筮M(jìn)展的同時(shí)，依然存在一些缺陷妨礙了燃料電池系統(tǒng)成為商業(yè)可行的技術(shù)。因此，我們不斷在系統(tǒng)壽命、防凍起動(dòng)等方面進(jìn)行重大改進(jìn)，嘗試消除這些不足。

在開發(fā)突破性的燃料電池系統(tǒng)的同時(shí)，我們還使用快速原型開發(fā)了新型控制系統(tǒng)。在開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不斷通過系統(tǒng)工程V模型驗(yàn)證、改良設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上的改變往往會(huì)影響子系統(tǒng)部件之間的接口，如空氣壓縮機(jī)控制模塊和燃料電池控制模塊之間的接口。盡管在車輛生產(chǎn)方面ECU已經(jīng)取得了廣泛的成功，但仍然存在更好的快速原型控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。我們使用CompactRIO進(jìn)行燃料電池控制設(shè)備（FCU）的快速原型開發(fā)，而不是更改產(chǎn)品ECU I/O電路以適應(yīng)接口變化。使用CompactRIO，我們快速地適應(yīng)了設(shè)計(jì)上的改變，并使用用于新型設(shè)計(jì)方案的新傳感器和制動(dòng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

我們開發(fā)了硬件在環(huán)系統(tǒng)（HIL），它由一個(gè)在NI PXI-1010混合PXI/SCXI機(jī)箱中的NI PXI-8186控制器以及一些相關(guān)的PXI和SCXI I/O卡組成，其中包括一個(gè)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）板卡，用于對(duì)CompactRIO 控制器中嵌入的控制策略功能性進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)使用LabVIEW Real-Time實(shí)現(xiàn)的硬件在環(huán)系統(tǒng)具有圖形化用戶界面（GUI），可向ECU提供手動(dòng)和自動(dòng)輸入以驗(yàn)證控制策略的執(zhí)行，同時(shí)在硬件在環(huán)監(jiān)視器上顯示CompactRIO I/O反饋。硬件在環(huán)系統(tǒng)的驗(yàn)證是成功的，在CompactRIO開始控制實(shí)際的燃料電池系統(tǒng)設(shè)備后，我們只需要對(duì)策略進(jìn)行鏡像更改即可。

汽車動(dòng)力傳動(dòng)控制需要能夠?qū)崟r(shí)。為達(dá)到實(shí)時(shí)所需的確定性，LabVIEW Real-Time Module（實(shí)時(shí)模塊）為所選控制器提供了商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。當(dāng)我們?yōu)樘嵘阅軓氖褂肗I cRIO-9002轉(zhuǎn)為使用NI cRIO-9012嵌入式實(shí)時(shí)控制器時(shí)，LabVIEW Real-Time模塊會(huì)自動(dòng)從Pharlap實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）轉(zhuǎn)為VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。通過使用美國國家儀器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn) RTOS，我們的團(tuán)隊(duì)得以集中精力到燃料電池控制系統(tǒng)，而無需為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)這一細(xì)節(jié)分心。

燃料電池系統(tǒng)控制器從車輛中的傳感器、制動(dòng)器、其他控制器及系統(tǒng)中接受不同類型的輸入?，F(xiàn)在，汽車設(shè)計(jì)普遍采用CAN總線設(shè)備，用來傳送、接收燃料電池系統(tǒng)內(nèi)外大多數(shù)的I/O信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，我們通過一個(gè)基于LabVIEW的擴(kuò)展測(cè)試平臺(tái)模擬了主車輛控制器，它通過CAN總線與燃料電池系統(tǒng)從控制器進(jìn)行通信。出于這些考慮，對(duì)于汽車燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用來說，CompactRIO CAN的支持至關(guān)重要。為了支持CAN總線，美國國家儀器迅速開發(fā)了支持快速、基于VxWorks的平臺(tái)（如cRIO-9012）上的CAN總線的新方法。除了能夠應(yīng)用CAN通道API外，新的CAN架構(gòu)通道轉(zhuǎn)換庫也比以前更快，從而縮短了我們的開發(fā)時(shí)間。

美國國家儀器的產(chǎn)品一直以來都以支持一個(gè)開放式系統(tǒng)架構(gòu)而備受贊譽(yù)。使用NI Measurement & Automation Explorer （MAX）軟件可以方便導(dǎo)入使用其他CAN生產(chǎn)商的工具開發(fā)的CAN信息數(shù)據(jù)庫。這使得我們可以交換數(shù)據(jù)庫，而無需轉(zhuǎn)化或記錄CAN信息數(shù)據(jù)庫。

技術(shù)無縫集成

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目來說，我們使用LabVIEW Professional Development System開發(fā)系統(tǒng)和兩個(gè)附加模塊實(shí)現(xiàn)了控制策略。首先，我們使用了LabVIEW Real-Time模塊，對(duì)實(shí)時(shí)控制器編寫了實(shí)時(shí)控制軟件。其次，我們使用 LabVIEW FPGA模塊，通過基于FPGA的軟件傳輸包括CAN在內(nèi)的所有I/O。這兩個(gè)附加LabVIEW模塊都可以無縫集成到LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，其中，圖形化差分是我們所使用的主要的LabVIEW特性之一。

另外，NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包在需要解決精密計(jì)時(shí)問題時(shí)會(huì)是一個(gè)重要的工具。使用此款工具包，我們可以發(fā)現(xiàn)那些沒有預(yù)期執(zhí)行功能的實(shí)時(shí)嵌入式代碼區(qū)域，然后對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化以確保的實(shí)時(shí)性能。如果沒有像NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包這樣的產(chǎn)品，我們將必須依靠諸如在線仿真器和邏輯分析儀這樣的昂貴的外部測(cè)試設(shè)備。

開發(fā)者經(jīng)常會(huì)在版本控制方面遇到困難，而LabVIEW 和Microsoft Visual SourceSafe版本控制程序能夠完美集成，我們?cè)谲浖_發(fā)中充分利用此種特點(diǎn)，成功并無縫地集成了版本控制。只需在LabVIEW項(xiàng)目窗口中的源 VI圖標(biāo)上簡單右擊，就可顯示諸如文件check-in或check-out等功能列表。對(duì)于版本管理軟件，易于使用對(duì)于獲取開發(fā)者的支持至關(guān)重要。

LabVIEW無處不在——我們使用LabVIEW的動(dòng)力

我們使用LabVIEW來開發(fā)首個(gè)內(nèi)部設(shè)計(jì)燃料電池系統(tǒng)還有幾個(gè)其他原因。首先，我們之前的標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)過程需要的開發(fā)者數(shù)量超過了我們的現(xiàn)有資源。然而，因?yàn)橐恍?a target="_blank">工程師已有使用LabVIEW的經(jīng)驗(yàn)，還有一些也已經(jīng)進(jìn)行過培訓(xùn)，因此通過使用LabVIEW，我們相當(dāng)于獲得了更多的資源。其次，為快速原型控制器開發(fā)的軟件與我們之前使用LabVIEW開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)之間本來就可以相互配合， VI可以被共享，開發(fā)環(huán)境、硬件亦是如此。

第三，由于模塊化LabVIEW VI為向后兼容，我們可以重用10年前開發(fā)的VI作為硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)的基礎(chǔ)。另外，我們基于NI硬件和LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)，可以很容易地使用技術(shù)數(shù)據(jù)管理流（TDMS）文件格式儲(chǔ)存測(cè)試數(shù)據(jù)，以備NI DIAdem數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行分析。與普通的數(shù)據(jù)可視化方案一樣，我們使用DIAdem快速并自動(dòng)地搜索多個(gè)數(shù)據(jù)文件，找出性能異常并使用注解將它們圖形化。而且，NI技術(shù)支持一直以來都是業(yè)界最好的，這也是成功的關(guān)鍵因素。

福特和美國國家儀器有很長的合作歷史，我們使用LabVIEW對(duì)我們生產(chǎn)的每一款燃料電池電動(dòng)車的方方面進(jìn)行了開發(fā)，并且成功為汽車燃料電池系統(tǒng)設(shè)導(dǎo)入了實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)。