美国国家仪器公司技术引领Ford创新潮流

　　挑战

　　美国国家仪器公司（NI）为汽车燃料电池系统开发的电子控制设备（ECU），极大地改善了燃料电池系统，减少能源的浪费。使其较之于传统的基于内燃机的传动系统更具竞争力，同时在商业上切实可行，这是NI目前面临的挑战。

　　福特公司（Ford））专注于对燃料电池系统（FCS）的研究，并由此催生了一系列汽车的发展，如辆全性能燃料电池汽车（P2000）和辆燃料电池充电式、油电混合动力车，这种汽车非常受消费者的喜欢。

　　解决方案

　　采用NI LabVIEW Real-Time、LabVIEW FPGA模块及NI CompactRIO控制器为汽车燃料电池系统开发了实时嵌入式控制系统，并通过LabVIEW和实时PXI机箱硬件在环（HIL）系统进行系统验证。

　　屹立创新前沿

　　自1992年以来，Ford Motor公司就开始专注于研发燃料电池系统。虽然燃料电池系统较之传统的基于内燃机传动系统更具竞争力，但依然存在的缺陷妨碍了燃料电池系统成为商业可行的技术。因此，NI不断地在系统寿命、防冻启动等方面进行重大改进，努力达到理想的控制效果。

　　在开发突破性的燃料电池系统的同时，NI使用快速原型技术开发了新型控制系统。在开发过程中，设计团队通过系统工程V模型不断验证、改良设计，尽管在车辆生产方面ECU已经取得了广泛的成功，不能满足实现快速原型控制系统的方法。而采用CompactRIO进行FCU的快速原型开发，可以完全适应设计上的改变，并应用于新型设计方案的传感器和制动器。

　　NI开发了HIL系统，它由NI PXI-1010混合PXI/SCXI机箱中的NI PXI-8186控制器以及相关的PXI和SCXI I/O卡组成。其中包括1个控制器区域网络（CAN）板卡，用于对CompactRIO控制器中嵌入的控制策略功能进行验证。该系统采用智能化、集成化的32位微处理器设计制作了仿真控制器，具有高分辨率定时器、高速输入输出、A/D与D/A、PWM输入/输出、多优先级中断等功能，具有可扩展的接口系统和良好的抗干扰性能，可进行电机、电池模型动态实时仿真计算和模拟车辆的各种输入、输出信号，也可采用实车的各种传感器和多处理器信号。同时HIL系统还设计了基于CAN总线和Windows的多窗口多视风格的图形化用户界面，实时观察仿真结果在线和离线分析试验效果。可用于电动汽车性能研究及控制系统开发。在纯电动轿车整车控制系统、动力蓄电池管理系统的开发，其功能包括：整车控制策略考核、整车控制器硬件考核、整车故障诊断与失效策略考核、动力蓄电池管理系统策略考核、动力蓄电池管理系统故障诊断与失效策略考核、蓄电池管理系统硬件考核、控制系统参数的离线预标定、极限参数的离线较核，利用该系统可避免或减少大量危险性与破坏性的实物试验。该HIL系统可用于各种汽车控制器的开发，使研发成本降低，周期缩短。

　　性能优良

　　汽车动力传动需要能够实时控制。为达到实时所需的确定性，LabVIEW Real-Time Module（实时模块）为所选控制器提供了商业化的实时操作系统（RTOS）。当提升性能从使用NI cRIO-9002转为NI cRIO-9012嵌入式实时控制器时，LabVIEW Real-Time模块会自动从Pharlap实时操作系统（RTOS）转为VxWorks RTOS。通过NI产品实现RTOS，使得研发团队能够集中精力开发燃料电池控制系统，而无需为实时操作系统这一细节分心。

　　燃料电池系统控制器从车辆中的传感器、制动器、控制器及系统中接收不同类型的输入信号。目前，汽车设计普遍采用CAN总线设备，用来传送、接收燃料电池系统内外的I/O信号。对于汽车燃料电池系统应用来说，CompactRIO CAN的支持至关重要。为了支持CAN总线，NI公司开发了支持快速、基于VxWorks的平台（如cRIO-9012）上的CAN总线的新方法。除了能够应用CAN通道API，新的CAN架构通道转换库也比以前速度更快，从而缩短了开发时间。

　　NI的产品一直以来都以支持开放式系统架构而备受赞誉。使用NI Measurement & Automation Explorer（MAX）软件可以导入使用其他CAN生产商工具开发的CAN信息数据库。方便生产商交换数据库，而无需转化或记录CAN信息数据库。

　　技术无缝集成

　　对于汽车燃料电池系统项目来说，使用LabVIEW Professional Development System开发系统和2个附加模块即可实现控制策略。首先，使用了LabVIEW Real-Time模块，对实时控制器编写了实时控制软件；其次，使用LabVIEW FPGA模块，通过基于FPGA的软件传输，包括CAN在内的所有I/O。这2个附加LabVIEW模块都可以无缝集成到LabVIEW开发环境中，而图形化差分是LabVIEW主要的特性之一。

　　NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包在需要解决精密计时问题时，将是一个重要的工具。使用此款工具包，可以发现一些没有预期执行功能的实时嵌入式代码区域，然后对代码进行优化以确保实时性能。如果没有NI Real-Time Execution Trace Toolkit工具包这种高性能、低成本的产品，就只能依靠诸如在线仿真器和逻辑分析仪这样昂贵的外部测试设备。

　　开发者经常会在版本控制方面遇到困难，而LabVIEW和Microsoft Visual SourceSafe版本控制程序能够完美集成，在软件开发中可以充分利用此特点，成功、无缝地集成版本控制。只需在LabVIEW项目窗口中的源VI图标上右击，即可显示诸如文件check-in或check-out等功能列表。

　　LabVIEW无处不在

　　LabVIEW是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。

　　使用LabVIEW开发内部设计燃料电池系统不仅效率高、成本低，还有其他原因：（1）一些工程师已有使用LabVIEW的经验，还有一些也已经进行过培训，因此通过使用LabVIEW，相当于获得了更多的资源；（2）为快速原型控制器开发的软件与之前使用LabVIEW开发的测试平台之间本来就可以相互配合、VI可以共享，开发环境、硬件亦是如此；（3）由于模块化LabVIEW VI能够与之前的系统兼容，即可以重用10年前开发的VI作为HIL系统的基础；（4）基于NI硬件和LabVIEW的实验室测试系统，可以很容易地使用技术数据管理流（TDMS）文件格式储存测试数据，以备NI DIAdem数据管理软件进行分析。与普通的数据可视化方案一样，使用DIAdem快速并自动地搜索多个数据文件，找出性能异常并使用注解将它们图形化。

　　LabVIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。

　　NI LabVIEW为汽车燃料电池系统开发的电子控制设备，再次验证了——NI技术支持是值得信赖的。