虚拟ECU实践：汽车发动机控制器仿真

news2024/11/23 18:59:12

虚拟化技术使得在Windows PC上对汽车ECU（Electronic Control Unit，电子控制器单元）进行闭环仿真成为可能，能有效改善ECU开发过程。一些开发任务得以从道路、测试平台和HIL（Hardware in the Loop，硬件在环）转移到PC上，缩短开发时间和成本。

▲汽车系统模型测试现状

由在本文中，我们将主要介绍虚拟化技术在ECU开发中的实现，其中的技术挑战在于：如何用合理的方式将ECU任务和基本软件移植到Windows PC上，以便关键的开发任务可以在PC上执行，而不需要访问真实的硬件（如车辆原型、测试平台或HIL设施）。

01.仿真加速软件开发

传统汽车软件开发的流程一般为：功能开发团队使用基于模型的工具链开发ECU模型，生成C代码，然后针对目标处理器进行代码编译，并使用测试平台，HIL系统和道路测试来测试和验证生成的ECU，进而将结果反馈至开发人员，结束开发周期。该过程存在的主要缺点有：1、迭代时间长；2、受原型车和测试设备的限制——硬件资源昂贵且稀缺。

为开发团队提供虚拟ECU可解决上述问题：开发人员可在PC机上对软件进行模拟、校准和测量，缩短开发周期，减少对稀缺资源和实际硬件的严重依赖；同时，通过虚拟ECU，开发人员可随时观察和修改内存变量甚至硬件状态，极大提升工作效率。

▲传统ECU开发vs虚拟ECU开发

虚拟ECU可应用以下场景：测量和标定、单元测试、持续集成、协同仿真、总线仿真。

▲基于虚拟ECU的应用场景

在PC上设置虚拟ECU主要有两种选择：

1、使用芯片模拟重新托管本机二进制代码。基于模拟ECU处理器的指令集，本机ECU代码（二进制）在PC上执行，无需访问C代码。

2、重新定位C代码。编译ECU的C代码，以便在Windows PC上执行——需要访问C代码来构建Windows可执行文件或DLL（Dynamic Link Library，动态链接文件）。

本文将主要介绍如何通过第一种方式设置虚拟ECU。

02.基于SkyEye的虚拟ECU方案

为支持构建数字仿真目标系统，运行实际项目的可执行文件，需要设计通用的仿真平台软件，灵活构建不同的 ECU 仿真目标系统，提供工程配置管理，方便工程师进行项目用例的配置和管理。

SkyEye，中文全称天目全数字实时仿真软件，是基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真和建模。SkyEye作为一款指令集仿真器，其仿真对象是物理芯片。

SkyEye采用“面向对象”的设计思想，通过将虚拟的目标系统上的所有组件都设计为独立的模块，支持手动修改和界面图形拖拽方式来快速生成虚拟目标系统的“硬件配置文件”，从而快速构建虚拟目标系统，达到加载和运行二进制目标程序进行仿真测试的目的。

基于SkyEye的虚拟ECU整体架构主要包含：SkyEye全数字仿真平台、虚拟ECU、标定软件、IDE开发工具、脚本模块、MATLAB模型以及CAN总线等模块，各个模块间通过虚拟软总线进行连接。

▲基于SkyEye的虚拟ECU整体架构

基于SkyEye的虚拟ECU可将开发任务从路测和台架转移至Windows/Linux PC上，以实现ECU软件的高效在环（SIL）开发。工程师可构建高度仿真真实控制器的虚拟ECU以加载运行真实ECU中的目标二进制文件。

同时，SkyEye虚拟ECU构建了一个强大的实验环境，通过多领域分布式协同仿真平台DigiThread，可以与多种工具（包括通过标准化FMI接口运行的MATLAB/Simulink等）的仿真模型（如电源模型、电机模型等）进行数据交互，实现对物理系统行为的模拟和复制。在构建物理样机或进行台架测试之前，工程师可基于虚拟ECU对系统设计提前进行验证，以最大限度地减少对实验室样机和工作设备的需求。

此外，虚拟ECU系统的复制比真实硬件系统容易得多，其配置可快速复制拓展，成本较低，每个工程师都可拥有一个开发环境，避免占用稀缺资源（如HIL台架测试）——更多的工程师可从中受益，项目研发周期亦可大幅缩短。