NI技术福特使用美国仪-器产品-引领创新潮-流.doc

NI技术福特使用美国国家仪 器产品，引领创新潮 流我们专注于对燃料电 池系统(FCS)的 研究，并由此催生了 一系列车辆，如全球 第一辆全性能燃料电 池汽车 （P2000）和全 球第一辆燃料电池充 电式油电混合动力车 （带 HySeries驱 动系统的Ford Edge车）。福特和美国国家仪 器有很长的合作历 史，我们使用 LabVIEW对我 们生产的每一款燃料 电池电动车的方方面 面进行了开发，并且 成功为汽车燃料电池 系统设计、开发了实 时嵌入式控制系 统。- Kurt D. Osborne, Ford Motor CompanyThe Challenge:为汽车燃料电池系统 开发一个电子控制设 备(ECU)，显著 改善燃料电池系统使 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 业上切实可行是 我们面临的主要挑 战。The Solution:使用NI LabVIEW Real- Time、 LabVIEW FPGA模块及 NI CompactRIO 控制器为汽车燃料电 池系统开发一个实时 嵌入式控制系统，并 使用LabVIEW 和一个实时PXI 机箱硬件在环 （HIL）系统进行 系统验证。Author (s):Kurt D. Osborne - Ford Motor Company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 于内燃机的传动系统 更具竞争力，但在我 们取得重大进展的同 时，依然存在一些缺 陷妨碍了燃料电池系 统成为商业可行的技 术。因此，我们不断 在系统寿命、防冻起 动等方面进行重大改 进，尝试消除这些不 足。在开发突破性的燃料 电池系统的同时，我 们还使用快速原型开 发了新型控制系统。 在开发过程中，设计 团队不断通过系统工 程V模型验证、改良 设计。设计上的改变 往往会影响子系统部 件之间的接口，如空 气压缩机控制模块和 燃料电池控制模块之 间的接口。尽管在车 辆生产方面ECU已 经取得了广泛的成 功，但仍然存在更好 的快速原型控制系统 实现方法。我们使用 CompactRIO 进行燃料电池控制设 备（FCU）的快速 原型开发，而不是更 改产品ECU I/O电路以适应接 口变化。使用 CompactRIO， 我们快速地适应了设 计上的改变，并使用 用于新型设计方案的 新传感器和制动器进 行了实验。我们开发了硬件在环 系统（HIL），它 由一个在NI PXI- 1010混合 PXI/SCXI机 箱中的 NI PXI- 8186控制器以及 一些相关的PXI和 SCXI I/O卡 组成，其中包括一个 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 能性进行验证。这个 使用LabVIEW Real-Time实现的硬件在环系统 具有图形化用户界面 （GUI），可向 ECU提供手动和自 动输入以验证控制策 略的执行，同时在硬 件在环监视器上显示 CompactRIO I/O反馈。硬件在 环系统的验证是成功 的，在 CompactRIO 开始控制实际的燃料 电池系统设备后，我 们只需要对策略进行 镜像更改即可。性能优良，如你所需汽车动力传动控制需 要能够实时。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）。当我 们为提升性能从使用 NI cRIO-9002转为使用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实时 操作系统（RTOS）。通过 使用美国国家仪器产 品实现RTOS，我 们的团队得以集中精 力到燃料电池控制系 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、其他控制器 及系统中接受不同类 型的输入。现在，汽 车设计普遍采用 CAN总线设备，用 来传送、接收燃料电 池系统内外大多数的 I/O信号。在实验 室测试时，我们通过 一个基于LabVIEW的扩展测试平台模拟 了主车辆控制器，它 通过CAN总线与燃 料电池系统从控制器 进行通信。出于这些 考虑，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，美国国家仪器 迅速开发了支持快 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 外，新的CAN架构 通道转换库也比以前 更快，从而缩短了我 们的开发时间。美国国家仪器的产品 一直以来都以支持一 个开放式系统架构而 备受赞誉。使用 NI Measurement & Automation Explorer (MAX)软件可以 方便导入使用其他 CAN生产商的工具 开发的CAN信息数 据库。这使得我们可 以交换数据库，而无 需转化或记录CAN 信息数据库。技术无缝集成对于这个项目来说， 我们使用 LabVIEW Professional Development System开发系 统和两个附加模块实 现了控制策略。首 先，我们使用了 LabVIEW Real-Time 模块，对实时控制器 编写了实时控制软 件。其次，我们使 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。这两个附加 LabVIEW模块 都可以无缝集成到 LabVIEW开发 环境中，其中，图形 化差分是我们所使用 的主要的 LabVIEW特性 之一。另外，NI Real- Time Execution Trace Toolkit工具 包在需要解决精密计 时问题时会是一个重 要的工具。使用此款 工具包，我们可以发 现那些没有预期执行 功能的实时嵌入式代 码区域，然后对代码 进行优化以确保的实 时性能。如果没有像NI Real- Time Execution Trace Toolkit工具包这样的产品， 我们将必须依靠诸如 在线仿真器和逻辑分 析仪这样的昂贵的外 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，我们在软件 开发中充分利用此种 特点，成功并无缝地 集成了版本控制。只 需在LabVIEW 项目窗口中的源VI 图标上简单右击，就 可显示诸如文件 check-in或 check-out 等功能列表。对于版 本管理软件，易于使 用对于获取开发者的 支持至关重要。LabVIEW无处 不在我们使用 LabVIEW的动 力1/5我们使用 LabVIEW来开 发首个内部设计燃料 电池系统还有几个其 他原因。首先，我们 之前的标准软件开发 过程需要的开发者数 量超过了我们的现有 资源。然而，因为一 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，我 们相当于获得了更多 的资源。其次，为快 速原型控制器开发的 软件与我们之前使用 LabVIEW开发 的测试平台之间本来 就可以相互配合， VI可以被共享，开 发环境、硬件亦是如 此。第三，由于模块化 LabVIEW VI为向后兼容，我 们可以重用10年前 开发的VI作为硬件 在环（HIL）系统 的基础。另外，我们 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，我们使用 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。而且，NI技 术支持一直以来都是 业界最好的，这也是 成功的关键因素。福特和美国国家仪器 有很长的合作历史， 我们使用 LabVIEW对我 们生产的每一款燃料 电池电动车的方方面 进行了开发，并且成 功为汽车燃料电池系 统设导入了实时嵌入 式控制系统。Author Information: KurtD. Osborne Ford Motor Company 1201 Village Rd Dearborn, MI 48121 Tel: 313- 322-3202 kosborn1ford. com我们专注于对燃料电 池系统(FCS)的 研究，并由此催生了 一系列车辆，如全球 第一辆全性能燃料电 池汽车 （P2000）和全 球第一辆燃料电池充 电式油电混合动力车 （带 HySeries驱动系统的Ford Edge车）。2/5我们使用 CompactRIO 来控制突破性的燃料 电池系统设计。3/5在系统框图中，实时 CompactRIO FCS控制器与实现 软件验证的实时硬件 在环（HIL）系统 相连接。4/5一个简单清晰的图形 用户界面将HIL系 统的实时VI封装了 起来。LegalThis case study (this case study) was develope