基于NIVeriStand配置的发动机测试控制系统设计

赵亮　王晓翌

摘 要：文章中的测试系统采用基于NI VeriStand的配置来实现发动机测试控制系统的设计。系统中通过转矩闭环控制一台舵机的转速或位置来实现对发动机油门的控制。测试系统将发动机的各个传感器的信号采集到实时采集器中，并能够进行相应的数据分析和管理，同时系统开放性强，具有完全的自定义开发特性。

关键词：NI VeriStand；发动机；数据采集

前言

近年来，随着国内汽车发动机产量的快速增加和技术的进步，对发动机的测试设备的需求量越来越大，要求求越来越高，使得国产发动机测试设备也得到了较快发展。但与国外先进水平相比，设备的性能、精度和质量水平还较低，成套设备使用的可靠性差，协调各硬件工作的控制软件的技术水平还需提高。

一般的发动机测试中需要测试的数据通道虽然不多，但对数据的采集与处理要求非常高，尤其在对发动机实现转速闭环或是转矩闭环控制的系统中。NI VeriStand是一个基于配置的实时测试软件，它具有良好的开放行以及自定义特性。文章中的发动机测试系统将采用基于NI VeriStand配置来实现汽车发动机的测试。测试中通过转矩闭环控制一台舵机的转速或位置来实现发动机油门的控制。测试系统不仅实现了发动机转速、转矩的快速控制并且具有实时监控发动机温度、转速、扭矩等状态的功能。本测试系统中利用NI VeriStand调用可重配置机箱cRIO-9076的FPGA I/O的接口特性，cRIO-9076是嵌入式实时处理器，它拥有一套独立的实时操作系统；其机箱背板具有可供用户自定义的FPGA模块，通过自定义FPGA 的接口将数据以DMA FIFO方式传输给上位机实现的采集、分析、记录、显示等功能。

1 系统硬件结构

如图1，发动机测试控制系统硬件结构由上位机、cRIO-9076机箱、NI采集板卡、舵机、发动机、传感器等组成。其中FPGA程序编译完成后运行于cRIO-9076的机箱背板中。

2 系统软件设计

系统软件设计主要包括：数据采集、NI VeriStand工程搭建、FPGA程序编写和NI VeriStand项目部署和实现四个部分。

2.1 数据采集

发动机的实时状态通过各个传感监测，它们包括Pt100型温度传感器、转速传感器、扭矩仪等。其中温度值与转速数据时标准的模拟量信号，它们通过NI 的数据采集卡将数据传输给上位机；转矩输出信号是连续的秒冲频率信号，将此信号由NI 9401 DI/O数据采集卡采集经NI cRIO-9076机箱背板上的高速的FPGA接口传送给上位机。在上位机编程过程中将此脉冲经过处理转换成实际的转矩信号，并且与给定转矩作比较，形成转矩闭环，达到转矩的控制要求。

2.2 NI VeriStand工程搭建

NI VeriStand是一个基于配置的实时测试软件，它拥有与LabVIEW类似的前面板，但无需任何编程工作。用户可以使用 LabVIEW、matlab等其他软件生成的模型文件导入VeriStand，方便快捷的实现硬件在环等实时测试应用。

（1）下载并安装NI VeriStand FPGA I/O接口工具，该接口工具提供了实现FPGA自定义I/O的LabVIEW模板程序。

（2）安装完成后，在windows的共享文件夹下找到FPGA I/O特性的LabVIEW模板。在win7系统中，该模板位于C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2011＼FPGA＼Templates

（3）安装LabVIEW相关软件LabVIEW、VeriStand、LabVIEW FPGA、NI-RIO、NI VeriStand FPGA，安装软件版本保持相同。

用网线连接cRIO-9076与电脑，连接完成后打开NI MAX，在MAX中展开远程系统可以看到cRIO-9076当前的连接状态。

2.3 FPGA程序编写

当添加实时I/O硬件接口到NI VeriStand中，可以快速配置各种不同的标准模拟，数字和通信总线接口；然而，NI VeriStand还提供LabVIEW基于FPGA可重配置I/O（RIO）设备的用户定义I/O 硬件。使用该功能来创建用户定义I/O硬件接口，实现自定义信号处理、仿真、触发和/或 控制任务，并以25纳秒的速率执行，不占用任何实时应用程序的处理带宽。此外，因为I/O 接口是基于FPGA的，我们可以很容易地重新配置特性或设备的行为，以适应新的需求，或者创建能够用于多个应用程序的测试系统，而不需要改变I/O接口硬件。

安装完成后选择NI VeriStand Custom FPGA Project创建新的项目，按照提示一步步完成创建配置。创建项目的保存路径，必须保存在C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2014＼FPGA＼Templates路径下，保存确定后完成创建。系统已创建好项目的配置文件：cRIO-9076 Custom Personality.fpgaconfig，该文件后期仍要修改。同时系统也创建了Custom Personality FPGA.vi，该VI为默认模板VI，要根据系统具体配置修改VI的输入输出；修改完成后运行此VI在FPGA终端上生成比特文件：cRIO-9076 Custom Personality.lvbitx。

此程序试运行在FPGA上，其运行速率基于硬件时钟，基准的时钟频率为40M HZ，单周期循环时间为25 ns。

2.4 NI VeriStand项目的部署和实现

3 结束语

本系统是以NI的软件VeriStand和硬件cRIO-9076机箱为基础，结合现场的温度、转速、转矩传感器，搭建的一套基于NI VeriStand配置的发动机控制系统，它通过控制舵机的转速及位置来控制发动机的转速，具有控制精度高、响应迅速、稳定可靠等优点。支持自动化测试、测试报告生成，测试用例可重复性强；集成了动态模型，可进行转矩闭环实时控制；NI硬件平台的稳定性以及VeriStand软件系统的开放灵活性提高了测试系统开发的效率，因此，基于NI VeriStand平台的发动机控制系统不仅能够缩短控制系统的开发周期，而且具有灵活的自定义特性，为测试系统的开发及维护节省了时间。

参考文献

[1]NI VeriStand创建基于FPGA的I/O特性技术白皮书[S].

[2]https：//decibel.ni.com/content/docs/DOC-13815[Z].

[3]NI Veristand Help 2014[Z].

[4]NI CompactRIO 开发指南[Z].

摘 要：文章中的测试系统采用基于NI VeriStand的配置来实现发动机测试控制系统的设计。系统中通过转矩闭环控制一台舵机的转速或位置来实现对发动机油门的控制。测试系统将发动机的各个传感器的信号采集到实时采集器中，并能够进行相应的数据分析和管理，同时系统开放性强，具有完全的自定义开发特性。

关键词：NI VeriStand；发动机；数据采集

前言

近年来，随着国内汽车发动机产量的快速增加和技术的进步，对发动机的测试设备的需求量越来越大，要求求越来越高，使得国产发动机测试设备也得到了较快发展。但与国外先进水平相比，设备的性能、精度和质量水平还较低，成套设备使用的可靠性差，协调各硬件工作的控制软件的技术水平还需提高。

一般的发动机测试中需要测试的数据通道虽然不多，但对数据的采集与处理要求非常高，尤其在对发动机实现转速闭环或是转矩闭环控制的系统中。NI VeriStand是一个基于配置的实时测试软件，它具有良好的开放行以及自定义特性。文章中的发动机测试系统将采用基于NI VeriStand配置来实现汽车发动机的测试。测试中通过转矩闭环控制一台舵机的转速或位置来实现发动机油门的控制。测试系统不仅实现了发动机转速、转矩的快速控制并且具有实时监控发动机温度、转速、扭矩等状态的功能。本测试系统中利用NI VeriStand调用可重配置机箱cRIO-9076的FPGA I/O的接口特性，cRIO-9076是嵌入式实时处理器，它拥有一套独立的实时操作系统；其机箱背板具有可供用户自定义的FPGA模块，通过自定义FPGA 的接口将数据以DMA FIFO方式传输给上位机实现的采集、分析、记录、显示等功能。

1 系统硬件结构

如图1，发动机测试控制系统硬件结构由上位机、cRIO-9076机箱、NI采集板卡、舵机、发动机、传感器等组成。其中FPGA程序编译完成后运行于cRIO-9076的机箱背板中。

2 系统软件设计

系统软件设计主要包括：数据采集、NI VeriStand工程搭建、FPGA程序编写和NI VeriStand项目部署和实现四个部分。

2.1 数据采集

发动机的实时状态通过各个传感监测，它们包括Pt100型温度传感器、转速传感器、扭矩仪等。其中温度值与转速数据时标准的模拟量信号，它们通过NI 的数据采集卡将数据传输给上位机；转矩输出信号是连续的秒冲频率信号，将此信号由NI 9401 DI/O数据采集卡采集经NI cRIO-9076机箱背板上的高速的FPGA接口传送给上位机。在上位机编程过程中将此脉冲经过处理转换成实际的转矩信号，并且与给定转矩作比较，形成转矩闭环，达到转矩的控制要求。

2.2 NI VeriStand工程搭建

NI VeriStand是一个基于配置的实时测试软件，它拥有与LabVIEW类似的前面板，但无需任何编程工作。用户可以使用 LabVIEW、matlab等其他软件生成的模型文件导入VeriStand，方便快捷的实现硬件在环等实时测试应用。

（1）下载并安装NI VeriStand FPGA I/O接口工具，该接口工具提供了实现FPGA自定义I/O的LabVIEW模板程序。

（2）安装完成后，在windows的共享文件夹下找到FPGA I/O特性的LabVIEW模板。在win7系统中，该模板位于C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2011＼FPGA＼Templates

（3）安装LabVIEW相关软件LabVIEW、VeriStand、LabVIEW FPGA、NI-RIO、NI VeriStand FPGA，安装软件版本保持相同。

用网线连接cRIO-9076与电脑，连接完成后打开NI MAX，在MAX中展开远程系统可以看到cRIO-9076当前的连接状态。

2.3 FPGA程序编写

当添加实时I/O硬件接口到NI VeriStand中，可以快速配置各种不同的标准模拟，数字和通信总线接口；然而，NI VeriStand还提供LabVIEW基于FPGA可重配置I/O（RIO）设备的用户定义I/O 硬件。使用该功能来创建用户定义I/O硬件接口，实现自定义信号处理、仿真、触发和/或 控制任务，并以25纳秒的速率执行，不占用任何实时应用程序的处理带宽。此外，因为I/O 接口是基于FPGA的，我们可以很容易地重新配置特性或设备的行为，以适应新的需求，或者创建能够用于多个应用程序的测试系统，而不需要改变I/O接口硬件。

安装完成后选择NI VeriStand Custom FPGA Project创建新的项目，按照提示一步步完成创建配置。创建项目的保存路径，必须保存在C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2014＼FPGA＼Templates路径下，保存确定后完成创建。系统已创建好项目的配置文件：cRIO-9076 Custom Personality.fpgaconfig，该文件后期仍要修改。同时系统也创建了Custom Personality FPGA.vi，该VI为默认模板VI，要根据系统具体配置修改VI的输入输出；修改完成后运行此VI在FPGA终端上生成比特文件：cRIO-9076 Custom Personality.lvbitx。

此程序试运行在FPGA上，其运行速率基于硬件时钟，基准的时钟频率为40M HZ，单周期循环时间为25 ns。

2.4 NI VeriStand项目的部署和实现

3 结束语

本系统是以NI的软件VeriStand和硬件cRIO-9076机箱为基础，结合现场的温度、转速、转矩传感器，搭建的一套基于NI VeriStand配置的发动机控制系统，它通过控制舵机的转速及位置来控制发动机的转速，具有控制精度高、响应迅速、稳定可靠等优点。支持自动化测试、测试报告生成，测试用例可重复性强；集成了动态模型，可进行转矩闭环实时控制；NI硬件平台的稳定性以及VeriStand软件系统的开放灵活性提高了测试系统开发的效率，因此，基于NI VeriStand平台的发动机控制系统不仅能够缩短控制系统的开发周期，而且具有灵活的自定义特性，为测试系统的开发及维护节省了时间。

参考文献

[1]NI VeriStand创建基于FPGA的I/O特性技术白皮书[S].

[2]https：//decibel.ni.com/content/docs/DOC-13815[Z].

[3]NI Veristand Help 2014[Z].

[4]NI CompactRIO 开发指南[Z].

摘 要：文章中的测试系统采用基于NI VeriStand的配置来实现发动机测试控制系统的设计。系统中通过转矩闭环控制一台舵机的转速或位置来实现对发动机油门的控制。测试系统将发动机的各个传感器的信号采集到实时采集器中，并能够进行相应的数据分析和管理，同时系统开放性强，具有完全的自定义开发特性。

关键词：NI VeriStand；发动机；数据采集

前言

近年来，随着国内汽车发动机产量的快速增加和技术的进步，对发动机的测试设备的需求量越来越大，要求求越来越高，使得国产发动机测试设备也得到了较快发展。但与国外先进水平相比，设备的性能、精度和质量水平还较低，成套设备使用的可靠性差，协调各硬件工作的控制软件的技术水平还需提高。

一般的发动机测试中需要测试的数据通道虽然不多，但对数据的采集与处理要求非常高，尤其在对发动机实现转速闭环或是转矩闭环控制的系统中。NI VeriStand是一个基于配置的实时测试软件，它具有良好的开放行以及自定义特性。文章中的发动机测试系统将采用基于NI VeriStand配置来实现汽车发动机的测试。测试中通过转矩闭环控制一台舵机的转速或位置来实现发动机油门的控制。测试系统不仅实现了发动机转速、转矩的快速控制并且具有实时监控发动机温度、转速、扭矩等状态的功能。本测试系统中利用NI VeriStand调用可重配置机箱cRIO-9076的FPGA I/O的接口特性，cRIO-9076是嵌入式实时处理器，它拥有一套独立的实时操作系统；其机箱背板具有可供用户自定义的FPGA模块，通过自定义FPGA 的接口将数据以DMA FIFO方式传输给上位机实现的采集、分析、记录、显示等功能。

1 系统硬件结构

如图1，发动机测试控制系统硬件结构由上位机、cRIO-9076机箱、NI采集板卡、舵机、发动机、传感器等组成。其中FPGA程序编译完成后运行于cRIO-9076的机箱背板中。

2 系统软件设计

系统软件设计主要包括：数据采集、NI VeriStand工程搭建、FPGA程序编写和NI VeriStand项目部署和实现四个部分。

2.1 数据采集

发动机的实时状态通过各个传感监测，它们包括Pt100型温度传感器、转速传感器、扭矩仪等。其中温度值与转速数据时标准的模拟量信号，它们通过NI 的数据采集卡将数据传输给上位机；转矩输出信号是连续的秒冲频率信号，将此信号由NI 9401 DI/O数据采集卡采集经NI cRIO-9076机箱背板上的高速的FPGA接口传送给上位机。在上位机编程过程中将此脉冲经过处理转换成实际的转矩信号，并且与给定转矩作比较，形成转矩闭环，达到转矩的控制要求。

2.2 NI VeriStand工程搭建

NI VeriStand是一个基于配置的实时测试软件，它拥有与LabVIEW类似的前面板，但无需任何编程工作。用户可以使用 LabVIEW、matlab等其他软件生成的模型文件导入VeriStand，方便快捷的实现硬件在环等实时测试应用。

（1）下载并安装NI VeriStand FPGA I/O接口工具，该接口工具提供了实现FPGA自定义I/O的LabVIEW模板程序。

（2）安装完成后，在windows的共享文件夹下找到FPGA I/O特性的LabVIEW模板。在win7系统中，该模板位于C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2011＼FPGA＼Templates

（3）安装LabVIEW相关软件LabVIEW、VeriStand、LabVIEW FPGA、NI-RIO、NI VeriStand FPGA，安装软件版本保持相同。

用网线连接cRIO-9076与电脑，连接完成后打开NI MAX，在MAX中展开远程系统可以看到cRIO-9076当前的连接状态。

2.3 FPGA程序编写

当添加实时I/O硬件接口到NI VeriStand中，可以快速配置各种不同的标准模拟，数字和通信总线接口；然而，NI VeriStand还提供LabVIEW基于FPGA可重配置I/O（RIO）设备的用户定义I/O 硬件。使用该功能来创建用户定义I/O硬件接口，实现自定义信号处理、仿真、触发和/或 控制任务，并以25纳秒的速率执行，不占用任何实时应用程序的处理带宽。此外，因为I/O 接口是基于FPGA的，我们可以很容易地重新配置特性或设备的行为，以适应新的需求，或者创建能够用于多个应用程序的测试系统，而不需要改变I/O接口硬件。

安装完成后选择NI VeriStand Custom FPGA Project创建新的项目，按照提示一步步完成创建配置。创建项目的保存路径，必须保存在C：＼Users＼Public＼Documents＼National Instruments＼NI VeriStand 2014＼FPGA＼Templates路径下，保存确定后完成创建。系统已创建好项目的配置文件：cRIO-9076 Custom Personality.fpgaconfig，该文件后期仍要修改。同时系统也创建了Custom Personality FPGA.vi，该VI为默认模板VI，要根据系统具体配置修改VI的输入输出；修改完成后运行此VI在FPGA终端上生成比特文件：cRIO-9076 Custom Personality.lvbitx。

此程序试运行在FPGA上，其运行速率基于硬件时钟，基准的时钟频率为40M HZ，单周期循环时间为25 ns。

2.4 NI VeriStand项目的部署和实现

3 结束语

本系统是以NI的软件VeriStand和硬件cRIO-9076机箱为基础，结合现场的温度、转速、转矩传感器，搭建的一套基于NI VeriStand配置的发动机控制系统，它通过控制舵机的转速及位置来控制发动机的转速，具有控制精度高、响应迅速、稳定可靠等优点。支持自动化测试、测试报告生成，测试用例可重复性强；集成了动态模型，可进行转矩闭环实时控制；NI硬件平台的稳定性以及VeriStand软件系统的开放灵活性提高了测试系统开发的效率，因此，基于NI VeriStand平台的发动机控制系统不仅能够缩短控制系统的开发周期，而且具有灵活的自定义特性，为测试系统的开发及维护节省了时间。

参考文献

[1]NI VeriStand创建基于FPGA的I/O特性技术白皮书[S].

[2]https：//decibel.ni.com/content/docs/DOC-13815[Z].

[3]NI Veristand Help 2014[Z].

[4]NI CompactRIO 开发指南[Z].