基于IEC61131的工程机械控制器硬件在环测试平台

2017-08-09孙金泉广西柳工机械股份有限公司

大陆桥视野 2017年10期

李璘孙金泉 / 广西柳工机械股份有限公司

李璘孙金泉 / 广西柳工机械股份有限公司

本文分析了国内工程机械控制器测试现状，介绍了硬件在环原理，以此引出IEC61131-3标准，提出了基于IEC61131的工程机械硬件在环测试平台，以及该平台能解决的问题。然后详细介绍了平台的构成，最后为工程机械控制器硬件在环测试平台的搭建指明了发展方向。

IEC61131；硬件在环；测试

1.引言

随着国内工程机械厂家电控技术的进步与发展，越来越多的厂家开始自己开发整机控制器和核心零部件的控制器，这都需要经过大量的测试。保证其控制功能的正确性和可靠性是产品开发过程中的一个难点。

国外厂商和机构已对控制器功能测试技术开展了广泛研究，形成了如TestML、CTE等测试用例生成工具，通过应用dSPACEMATLAB/Simulink Rhapsody等控制系统开发工具进行仿真测试也取得了一些成果，形成了各自的解决方案，但是国内厂商在使用这些方案时，通常需要支付昂贵的软硬件费用。目前测试手段已经摆脱了在原型车中进行的方式，半自动化自动化的测试流程成为行业发展的趋势。

对厂家而言，要根据自己的机型进行控制器功能定义，运用国外测试方案存在周期长费用高扩展难等不利因素，有时直接套用国外技术。因此，掌握一种控制器功能测试技术，对提高厂家的自主研发能力具有重要意义。

硬件在环仿真（HIL）是自动化测试系统常用的技术手段之一，利用计算机运行仿真模型取代控制器的控制流程，再将控制器的输出回路反馈给计算机形成一个闭环的测试系统，该方法使测试具有可重复性。外部条件可控制、可进行临界测试和极限测试等优点。

使用HIL需要一个仿真控制器，用于产生测试用例需要的信号，同时接收待测ECU的信号。目前大部分硬件在环编写测试的方式有多种，例如代码式（脚本语言）、框图式或表格式。但是测试用例编写的工作量非常大而且非常复杂，甚至超过了待测控制器本身的软件编写工作，单靠某种测试用例编写方式已经无法满足目前需求。因此需要简易与灵活的方式相结合的方式进行测试用例的编写。

IEC 61131-3是目前唯一的关于工业控制编程语言的国际标准，利用它的语言进行HIL控制器开发的测试用例的编写，又可在线观察测试用例变量。对自行进行控制器设计和测试的厂家，本身就使用IEC61131的语言来编程，因此使用它进行控制器的测试并非难事。

本文介绍了一种基于IEC61131的工程机械控制器硬件在环测试平台的实现过程。

2.测试平台构成

硬件在环测试平台的构成如图1所示。

图1 硬件在环测试平台的构成

待测控制器运行时接收各种开关和传感器信号，进行运算后输出控制信号（如控制电磁阀、继电器或电机的信号）。仿真测试平台发出待测控制器需要接收的开关和传感器信号，并接收控制器输出的控制信号，判断控制器的反馈是否正确，并将测试结果发送给PC上安装的试验管理软件。试验管理软件用于在测试中接收测试结果、观察中间变量以及生成测试报告。61131编程系统用于测试样例的编写和机器模型的输入，还可以进行测试用例的调试。可编程电源用于为控制器和仿真控制器供电，其输出电压是可编程的。可编程负载是仿真控制根据测试用例的配置编程的负载，可以编程为继电器、电磁阀、电机等负载，也可以用真实负载替换。也可以不使用可编程负载，而是使用负载模型（或机器模型）。

以下对各部分设计进行详细介绍。

2.1 仿真控制器

2.1.1 传感器信号发生电路。

仿真控制器由传感器信号发生电路、信号采集电路和MCU中运行的测试样例与负载（机器）模型组成。

传感器信号发生电路可以模拟开关型、电阻型、电流型、电压型、脉冲型和正弦信号的输出。

在整机上开关型信号有两种：接地/悬空，VCC/悬空，其中VCC为蓄电池电压（12V或24V）。仿真控制器的MCU运行测试用例程序，测试用例程序通过MCU的I2C总线将指令发送给CPLD，CPLD根据指令控制端口为高电平、低电平或悬空位置。驱动芯片将CPLD输出的电平转换成能驱动继电器的电平，实现开关信号的输出。

电阻型信号实现：测试用例程序通过SPI控制模拟开关芯片控制所接入的电阻大小，实现电阻型信号的输出。

电压型、电流型和正弦波信号的实现：测试用例程序通过SPI控制DAC（数模转换器）芯片将指令转换为0～5V电压，并通过CPLD控制模拟开关接通需要输出的信号通道。

脉冲型信号实现：MCU通过输出PWM来控制脉冲信号的占空比和频率，并控制可编程电源来控制脉冲信号的峰值。

2.1.2 信号采集电路。

信号采集电路是采集待测控制器发出的控制信号，例如开关控制信号、电磁阀控制信号。信号采集电路将信号采集后，根据测试样例，将执行结果与预期结果进行比较，将运行结果发送到试验管理软件。

PWM信号可以直接输入仿真控制器，也可以输入可编程负载。前者的优点在于可以将PWM信号的占空比通过公式转换为控电流再输入控制对象模型，仿真速度较快；后者的优点在于直接将电流输入仿真控制器，更真实的模拟控制对象的响应。

2.1.3 仿真控制器的MCU。

仿真控制器的MCU采用高速信号处理器，如TI的TMS320系列、Freescale的MCP55x系列或Infineon的Tricore系列处理器均能满足系统设计要求。

MCU的底层硬件和驱动程序提供丰富的资源和接口，用户可以直接使用这些资源在支持IEC61131的编程系统上进行测试样例的编写。编写的方式非常灵活，复杂的样例可以使用ST语言编写，简单的样例使用SFC、FB或FBD框图式语言编写。

MCU中的机器模型（或负载模型、控制对象模型）是封装好的功能块，用户只要修改参数后直接调用即可。

2.1.4 CPLD/FPGA。

与MCU连接的CPLD是MCU功能的扩展，用于采集和控制低速的IO信号，发送采集结果和接受MCU的控制指令。Altera的MAX II系列、Lattice的MachXO3和Xilinx的XA Spartan系列的CPLD或FPGA均能满足系统设计要求。用户使用编程系统可以对CPLD的输入和输出进行配置。

2.2 可编程电源

可编程电源为待测控制器和仿真控制器提供电源。提供给待测控制器的电源分2种，可编程为12V系统和24V系统，最大可以输出40V，用于测试待测控制器的电源耐受力。提供给仿真控制的电源分为数字供电和驱动供电。数字供电电压低功率小；驱动供电功率大，电压可由9V调节到36V，用于测试待测控制器的端口电压耐受力。可编程电源的电压调节由试验管理软件配置。

2.3 可编程负载

可编程负载可以让用户选择负载的类型：小灯、电磁阀或继电器等。用户也可以接入真实负载进行测试。

2.4 试验管理软件

试验管理软件可通过设备的DLL文件与设备通信，进行设备配置，并可读写试验配置，并导出试验结果生成试验报告。