基于硬件故障植入单元提高HIL测试系统的安全性与可靠性

1. 为何需要硬件故障植入？

在许多硬件在环（HIL）试系统中，硬件故障植入用于在电子控制单元（ECU）与系统其他部分之间添加信号故障，进而测试、特性描述或验证ECU在特定失效条件下的性能。 故障植入通常用于特定ECU（如汽车、飞机、航天器和机械的 ECU）需要对故障条件产生已知且可接受的响应的情况。 这一操作需要将故障植入单元（FIU）安装到测试系统I/O接口和ECU之间，使测试系统可在正常运行与故障状态 （如电池短路、接地短路或开路）之间切换。

图1显示了FIU如何安装到HIL测试系统中。 请注意，故障植入可做为I/O与ECU之间的闸门。

图1.动态测试系统中FIU的典型安装位置。

2. FIU的架构

FIU的一个常见配置是“故障总线拓扑”（Fault bus topology），每个通道可对一个或多个故障总线开路或短路。 在此拓扑中，每个FIU通道均由3个单刀单掷（SPST）继电器组成。 通道的第一组继电器用作为通路 （Pass-through），在默认运行模式下，此继电器处于关闭状态，且FIU不受ECU与测试系统的影响。

图2. 默认运行模式下的FIU，所有信号均可通过

开路故障

如果要仿真开路或中断故障，测试应用与待测设备（DUT）之间的信号线应处于开路状态，以确定信号中断之后待测设备的响应。 用户可断开此继电器来模拟意外断电或开路状态，或者在规定的时间间隔内闭合继电器，模拟间歇性连接或接触不良的情况。

Figure 3. 图3. 使用FIU在通道1上模拟开路故障

接地短路或电源短路

若要模拟接地或电源短路，则将信号线从外部故障线路或故障总线连接至待测设备。 故障总线可配置为仿真电源线、系统接地或系统的其他电源。

图4. 使用FIU在通道1上模拟电源短路故障

引脚间短路s

如果要模拟引脚间短路，可将待测设备的信号线路连接至1个或多个额外待测设备信号线。

图5.使用FIU在通道0和通道1之间模拟引脚间短路故障

3. 基于PXI的FIU的优势

PXI具备触发与同步功能，是理想的FIU环境。 由于HIL测试系统通常使用基于PXI的I/O，因此PXI也可提供仿真度极高的开关信号。 这些系统通常通过嵌入式实时处理软件（如 NI VeriStand）来进行控制，因此基于PXI的FIU可让工程师轻松地通过编程来选择和控制运行其模型与测试序列的接口的故障。 NI最近刚发布了其首款FIU -NI PXI-2510， 这是一款专为HIL应用所设计的68通道150 V 2 A FIU。 NI PXI-2510具有68个馈通（Feedthrough）通道，对一个或两个故障总线开路或短路。 此外，每个故障总线包含一个4x1输入多路复用器，因此用户可通过软件控制植入更多类型和数量的故障，因而具有更高灵活性

图6. NI PXI-2510 68通道2 A FIU

除了可轻松集成HIL测试系统之外，NI PXI FIU还具有安全性、可靠性和连接性等硬件相关的优势。

安全性

由于故障植入往往需要高电压与电流，且安全性是HIL应用的重中之重，因此NI在设计FIU时尤其注重安全性。 具体来说，所有NI FIU均兼容IEC 61010-1国际标准，且设计均通过第三方机构（如 UL）的检验。 最后，每个FIU在发货之前均先经过测试，以确保其功能性与安全性。

可靠性

与安全性一样， 可靠性也是长期测试一个主要考虑因素。 虽然机电式继电器均号称可运行数百万个周期，但在正常负载条件下其使用寿命仍非常有限。 为了提高长期可靠性，PXI-2510集成了板载继电器计数跟踪，可让用户了解继电器已运行的周期数。 这也有助于用户决定何时进行维护与更换。 PXI-2510还提供用户可更换的继电器套件，用户可在继电器生命周期结束出现正常继电器故障时自行进行更换。 另外，使用过程中，不可预见的情况也会导致继电器由于电压或电流过高而出现意外损坏，在这种情况下，用户可更换的继电器套件就派上用场了。 最后，为确保机械可靠性，每个FIU的设计均必须通过加速寿命测试 （Highly accelerated life test，HALT），以确保FIU在高振动环境中的机械完好性，因而可在恶劣环境中使用。

连接性

由于故障植入应用往往涉及大量通道，且必须使用高电压/电流，因此在布线和连接时必须非常注意，但这一点往往容易被忽视。 PXI-2510提供了三种连接方式 – 螺丝接线端、裸线以及DIN连接器。 这三种连接方式经过专门设计，保证了安全性、可靠性以及信号接线端屏蔽性能，从而提供了完整的连接解决方案。 这种设计可降低噪声和串扰现象，同时还可减少系统辐射。

如需进一步了解PXI-2510的接线选项，可查看 “如何连接信号至PXI-2510”教程。。

除了专为故障植入设计的产品之外，NI还提供各种通用的开关产品，可用于自行设计故障植入拓扑结构。 其中一个例子是 NI PXI-258610通道12 A SPST模块，该模块可用于创建多重故障植入拓扑，包括3通道双总线FIU和9通道单总线FIU，详情可参阅 本教程。如需了解可用于故障植入应用的NI开关完整列表，可参阅NI开关选型指南。

4. 将PXI FIU集成至HIL测试系统

在选择FIU时，系统集成 （包含软件在内）是最后一个要考虑的重要因素。 在Windows环境中，可通过专门用于开关调试的图形化工具NI-SWITCH软件前面板（SFP）来配置和测试PXI FIU。 对于自动化控制，内含的NI-DAQmx硬件驱动结合LabVIEW Real-Time和Windows，可通过编程访问模块的所有功能。

HIL测试系统通常通过NI VeriStand进行控制，NI VeriStand是一个用于配置实时测试应用的现成软件环境。 用户也可通过NI VeriStand轻松控制NI PXI FIU，这意味着用户可在同一个环境中管理FIU；配置Real-Time I/O、激励配置文件、数据日志和警报；开发控制算法/系统仿真；创建运行时可编辑的用户界面等。 如需进一步了解如何使用NI VeriStand配置PXI-2510，可参阅 “在NI VeriStand中使用NI PXI-2510”在线教程。

图7. 通过NI VeriStand控制FIU

针对更高级且高时效性的控制，每个FIU模块可通过PXI背板传送/接收触发信号。 输入触发信号将可让开关提前至FIU硬件上加载的预定义列表中的下一个故障位置。 输出触发信号则可用于启动PXI系统中其他仪器的测量作业。 对于自动化测试应用，实时仿真的触发信号可通过故障条件发送至序列，而对于需要更复杂序列和动态故障控制的应用，一个或多个FIU可使用PXI FPGA模块经由PXI背板发送/接收触发信号。

结论

如果应用对ECU可靠性要求非常高，则应考虑使用FIU。 NI所提供的软硬件架构均可将FIU集成至HIL测试系统中来提升设备的安全性与可靠性。

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