1. 為何需要硬件故障植入？

在許多硬件在環(huán)(HIL)試系統(tǒng)中，硬件故障植入用于在電子控制單元(ECU)與系統(tǒng)其他部分之間添加信號故障，進而測試、特性描述或驗證ECU在特定失效條件下的性能。 故障植入通常用于特定ECU(如汽車、飛機、航天器和機械的 ECU)需要對故障條件產(chǎn)生已知且可接受的響應的情況。 這一操作需要將故障植入單元(FIU)安裝到測試系統(tǒng)I/O接口和ECU之間，使測試系統(tǒng)可在正常運行與故障狀態(tài) (如電池短路、接地短路或開路)之間切換。

圖1顯示了FIU如何安裝到HIL測試系統(tǒng)中。 請注意，故障植入可做為I/O與ECU之間的閘門。

圖1.動態(tài)測試系統(tǒng)中FIU的典型安裝位置。

2. FIU的架構

FIU的一個常見配置是“故障總線拓撲”(Fault bus topology)，每個通道可對一個或多個故障總線開路或短路。 在此拓撲中，每個FIU通道均由3個單刀單擲(SPST)繼電器組成。 通道的第一組繼電器用作為通路 (Pass-through)，在默認運行模式下，此繼電器處于關閉狀態(tài)，且FIU不受ECU與測試系統(tǒng)的影響。

圖2. 默認運行模式下的FIU，所有信號均可通過

開路故障

如果要仿真開路或中斷故障，測試應用與待測設備(DUT)之間的信號線應處于開路狀態(tài)，以確定信號中斷之后待測設備的響應。 用戶可斷開此繼電器來模擬意外斷電或開路狀態(tài)，或者在規(guī)定的時間間隔內閉合繼電器，模擬間歇性連接或接觸不良的情況。

Figure 3. 圖3. 使用FIU在通道1上模擬開路故障

接地短路或電源短路

若要模擬接地或電源短路，則將信號線從外部故障線路或故障總線連接至待測設備。 故障總線可配置為仿真電源線、系統(tǒng)接地或系統(tǒng)的其他電源。

圖4. 使用FIU在通道1上模擬電源短路故障

引腳間短路s

如果要模擬引腳間短路，可將待測設備的信號線路連接至1個或多個額外待測設備信號線。

圖5.使用FIU在通道0和通道1之間模擬引腳間短路故障

3. 基于PXI的FIU的優(yōu)勢

PXI具備觸發(fā)與同步功能，是理想的FIU環(huán)境。 由于HIL測試系統(tǒng)通常使用基于PXI的I/O，因此PXI也可提供仿真度極高的開關信號。 這些系統(tǒng)通常通過嵌入式實時處理軟件(如 NI VeriStand)來進行控制，因此基于PXI的FIU可讓工程師輕松地通過編程來選擇和控制運行其模型與測試序列的接口的故障。 NI最近剛發(fā)布了其首款FIU -NIPXI-2510, 這是一款專為HIL應用所設計的68通道150 V 2 A FIU。 NI PXI-2510具有68個饋通(Feedthrough)通道，對一個或兩個故障總線開路或短路。 此外，每個故障總線包含一個4x1輸入多路復用器，因此用戶可通過軟件控制植入更多類型和數(shù)量的故障，因而具有更高靈活性

圖6. NI PXI-2510 68通道2 A FIU

除了可輕松集成HIL測試系統(tǒng)之外，NI PXI FIU還具有安全性、可靠性和連接性等硬件相關的優(yōu)勢。

安全性

由于故障植入往往需要高電壓與電流，且安全性是HIL應用的重中之重，因此NI在設計FIU時尤其注重安全性。 具體來說，所有NI FIU均兼容IEC 61010-1國際標準，且設計均通過第三方機構(如 UL)的檢驗。 最后，每個FIU在發(fā)貨之前均先經(jīng)過測試，以確保其功能性與安全性。

可靠性

與安全性一樣， 可靠性也是長期測試一個主要考慮因素。 雖然機電式繼電器均號稱可運行數(shù)百萬個周期，但在正常負載條件下其使用壽命仍非常有限。 為了提高長期可靠性，PXI-2510集成了板載繼電器計數(shù)跟蹤，可讓用戶了解繼電器已運行的周期數(shù)。 這也有助于用戶決定何時進行維護與更換。 PXI-2510還提供用戶可更換的繼電器套件，用戶可在繼電器生命周期結束出現(xiàn)正常繼電器故障時自行進行更換。 另外，使用過程中，不可預見的情況也會導致繼電器由于電壓或電流過高而出現(xiàn)意外損壞，在這種情況下，用戶可更換的繼電器套件就派上用場了。 最后，為確保機械可靠性，每個FIU的設計均必須通過加速壽命測試 (Highly accelerated life test，HALT)，以確保FIU在高振動環(huán)境中的機械完好性，因而可在惡劣環(huán)境中使用。

連接性

由于故障植入應用往往涉及大量通道，且必須使用高電壓/電流，因此在布線和連接時必須非常注意，但這一點往往容易被忽視。 PXI-2510提供了三種連接方式 – 螺絲接線端、裸線以及DIN連接器。 這三種連接方式經(jīng)過專門設計，保證了安全性、可靠性以及信號接線端屏蔽性能，從而提供了完整的連接解決方案。 這種設計可降低噪聲和串擾現(xiàn)象，同時還可減少系統(tǒng)輻射。

如需進一步了解PXI-2510的接線選項，可查看“如何連接信號至PXI-2510”教程。.

除了專為故障植入設計的產(chǎn)品之外，NI還提供各種通用的開關產(chǎn)品，可用于自行設計故障植入拓撲結構。 其中一個例子是NI PXI-258610通道12 A SPST模塊，該模塊可用于創(chuàng)建多重故障植入拓撲，包括3通道雙總線FIU和9通道單總線FIU，詳情可參閱本教程。如需了解可用于故障植入應用的NI開關完整列表，可參閱NI開關選型指南.

4. 將PXI FIU集成至HIL測試系統(tǒng)

在選擇FIU時，系統(tǒng)集成 (包含軟件在內)是最后一個要考慮的重要因素。 在Windows環(huán)境中，可通過專門用于開關調試的圖形化工具NI-SWITCH軟件前面板(SFP)來配置和測試PXI FIU。 對于自動化控制，內含的NI-DAQmx硬件驅動結合LabVIEW Real-Time和Windows，可通過編程訪問模塊的所有功能。

HIL測試系統(tǒng)通常通過NI VeriStand進行控制，NI VeriStand是一個用于配置實時測試應用的現(xiàn)成軟件環(huán)境。 用戶也可通過NI VeriStand輕松控制NI PXI FIU，這意味著用戶可在同一個環(huán)境中管理FIU；配置Real-Time I/O、激勵配置文件、數(shù)據(jù)日志和警報；開發(fā)控制算法/系統(tǒng)仿真；創(chuàng)建運行時可編輯的用戶界面等。 如需進一步了解如何使用NI VeriStand配置PXI-2510，可參閱 “在NI VeriStand中使用NI PXI-2510”在線教程。

圖7. 通過NI VeriStand控制FIU

針對更高級且高時效性的控制，每個FIU模塊可通過PXI背板傳送/接收觸發(fā)信號。 輸入觸發(fā)信號將可讓開關提前至FIU硬件上加載的預定義列表中的下一個故障位置。 輸出觸發(fā)信號則可用于啟動PXI系統(tǒng)中其他儀器的測量作業(yè)。 對于自動化測試應用，實時仿真的觸發(fā)信號可通過故障條件發(fā)送至序列，而對于需要更復雜序列和動態(tài)故障控制的應用，一個或多個FIU可使用PXI FPGA模塊經(jīng)由PXI背板發(fā)送/接收觸發(fā)信號。

結論

如果應用對ECU可靠性要求非常高，則應考慮使用FIU。 NI所提供的軟硬件架構均可將FIU集成至HIL測試系統(tǒng)中來提升設備的安全性與可靠性