Enclustra FPGA核心板在硬件在环(HiL)仿真测试系统中的应用

通过与Enclustra公司合作，MicroNova公司在为汽车环境和其他市场的电子控制单元（ECU）开发最先进的硬件在环（HiL）测试系统方面一直处于领先地位。除了高质量、高可靠性和高性能之外，Enclustra设备系列的外形尺寸兼容性也被证明是降低成本、减少工作量和缩短时间的关键所在。

 

MicroNova介绍

 

MicroNova公司总部位于德国，旗下的NovaCarts品牌专门对电子控制单元（ECU）开发HiL测试系统。该公司在汽车环境和其他行业拥有超过35年的服务经验，其用于电动汽车和其他电动交通应用的ECU测试解决方案是市场上最先进的解决方案之一。通过确保人与机器之间的无缝信息交流，公司的400名技术精湛的技术专家正在塑造未来的交通方式。MicroNova使用 Enclustra模块化系统 (SoM) 组件来提高其模块化NovaCarts HiL测试系统的可扩展性和性能。

 

 

NovaCarts Component Test Rack (CTR)

NovaCarts 元件测试机架 (CTR)
 

虚拟化车辆进行HiL测试可在所有组件完成之前对他们的ECUs进行验证，从而缩短新车推向市场所需的时间。此外，它还允许汽车原始设备制造商全面模拟各种可以想象到的情况，甚至是那些驾驶实体车辆超出其运行规范的情况，从而降低成本和风险。如果个别ECUs未能通过持续数天的测试，则可以诊断出错误的根本原因，并且对ECU固件进行修正和重新验证后再集成到车辆中。

 

MicroNova的HiL测试系统可加快对控制现代豪华汽车的多达100个ECU 的测试和验证。这些系统通过创建车辆及其环境的虚拟复制品，模拟由3000 至4000个传感器和执行器组成的信号和状态。这些信号包括简单的模拟和数字信号，也包括复杂的脉宽调制（PWM）信号和高速传感器协议。同时，它们还运行动态模型来模拟车辆的电机、电池和周围物理环境（如路况）等一切。

 

由于它们与实际车辆及其环境具有极高的保真度，因此测试工程师可以使用 MicroNova系统将车辆ECU直接集成到其提供的模拟硬件和软件环境中，从而全面验证车辆ECU的正常运行和故障模式。在最佳情况下，ECU应该无法识别它们是连接到测试系统还是真实车辆。

客户面临的挑战

模拟车辆的所有控制单元、软件和硬件功能，以及与环境并行的电子设备，并通过SPI 以MHz级零延迟输出数据，这超出了当今标准微控制器和软件的容量和处理能力。因此，MicroNova一直在寻找一种替代解决方案，既能满足延迟和精度方面的挑战性要求，又能进行定制，以应对各种高度特定的任务。MicroNova决定使用基于Enclustra FPGA SoM的解决方案来解决所有难题。

 

现代豪华汽车的计算复杂性不断提高，这对MicroNova用于测试和验证控制这些汽车的ECU的解决方案提出了更高的技术要求。为了精确复制车辆及其物理环境，使其与模拟的真实系统无异，他们的测试系统需要不断跟上技术的高速演进。

 

MicroNova NovaCarts测试台的庞大规模增加了额外的挑战。由于它们可以包含多达数千个I/O，要使所有SoM模块顺利协同运行，就必须开发一个上层软件架构。此外，由于他们的测试解决方案被设计为长期使用的产品，MicroNova需要一个面向未来的解决方案，不仅能为客户提供购买时所需的高性能I/O板，还能让他们容易地对硬件进行扩展，以满足不断演进的技术环境。

 

解决方案

 

MicroNova在评估了自行开发芯片解决方案的成本和工作量后，决定从外部采购FPGA，用于驱动构成其解决方案的I/O板，从而使开发人员能够专注于核心业务。最终，他们选择了Enclustra基于FPGA的系统模块组件（SoM）作为解决方案的核心，因为这些组件具有高性能和灵活性。

 

NovaCarts Cell Simulation Board (NC-BEB1000)

NovaCarts 单元模拟板 (NC-BEB1000)

 

同一系列模块的外形尺寸兼容性提供了所需的可扩展性，而无需花费成本和时间从头开始重新设计解决方案。此外，开箱即用的标准接口（如以太网）简化了解决方案的开发。

 

最初，MicroNova的设计基于Enclustra的Mars ZX3 Xilinx Zynq 7020 All Programmable SoC模块。随后，他们将设计升级到Mars XU3 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC模块，从而轻松提升了性能和容量。目前，他们正在将其设计迁移到Mercury SoM系列，以满足新兴需求。

 

火星Mars XU3核心板上视图

 

Franz Dengler

Seniorexperte Software und Systeme Hardware in the Loop

"Enclustra设备系列的外形尺寸兼容性使我们能够轻松地扩大和缩小解决方案的规模，而无需进行大量的开发工作"。

 

成果

 

MicroNova使用Enclustra的模块化系统解决方案为输入/输出（I/O）板提供核心技术已有8年时间，他们利用这些板组装了HiL测试系统。如今，MicroNova的NovaCarts解决方案中使用的每块I/O板都以Enclustra SoM为核心，该解决方案可为客户提供多达数千个I/O的可扩展测试系统。基于Enclustra Marx ZX3和Mars XU3 SoM的开发经验，MicroNova目前正在开发使用Mercury模块系列的下一代I/O板。

 

该公司的产品组合目前包括约15块独立的I/O板，采用Enclustra基于FPGA的系统模块组件，这些组件经过优化，可模拟特定类型的功能。他们的大型测试系统由40至50块I/O板组成，如下方框图所示。

 

 

通信架构基于以太网，实时运行。操作员PC控制着实时计算机，模拟模型在计算机上实时运行。实时计算机从ECU执行器读取数据，并将模拟传感器的数值写入IO板。精确度可达一毫秒。

 

Franz Dengler

Seniorexperte Software und Systeme Hardware in the Loop

"尽管面临芯片危机带来的挑战，Enclustra 在我们的解决方案开发过程中一直是非常可靠的合作伙伴。当我们遇到问题时，他们总能提供支持，不论是在业务方面，还是在技术方面，以实现我们的目标"。