Hardware-in-the-Loop (HIL) là gì?

2023.01.11

NI-LabVIEW

Hardware-in-the-Loop (HIL) là gì?

Tổng quan về Hardware-in-the-Loop (HIL)

Bài viết này giải thích những khó khăn khi kiểm tra các hệ thống phức tạp và làm sao mà kiểm tra hardware-in-the-loop (HIL) là giải pháp để tạo ra một hệ thống kiểm tra có khả năng mở rộng và đảm bảo phạm vi kiểm tra toàn diện.

Một hệ thống thử nghiệm ECU bằng mô phỏng Hardware-in-the-Loop (HIL) với NI PXI và phần mềm VeriStand, LabVIEW do Peritec triển khai tại Việt Nam

Thách thức của việc kiểm tra các hệ thống phức tạp

Các bài kiểm tra kỹ lưỡng và đáng tin cậy là cần thiết để xác minh và xác nhận thiết kế. Tuy nhiên, khi các hệ thống hiện đại ngày càng phát triển phức tạp, đặc biệt là trong phần mềm, bước quan trọng này thường dễ nói hơn làm.

Xem xét việc kiểm tra các thành phần điện tử của một chiếc ô tô mới. Để duy trì sự phù hợp trong thị trường ngày nay, các phương tiện hiện đại cần có hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS), camera, radar, v.v. Kiểm tra các hệ thống con này trên sản phẩm đã lắp ráp trong các trường hợp sử dụng mong muốn đảm bảo rằng việc kiểm tra được thực hiện trong bối cảnh lý tưởng, nhưng nó cũng phát sinh chi phí kiểm tra đáng kể và tạo ra thách thức trong việc kiểm tra mọi tình huống. Ngoài ra, việc trì hoãn các bài kiểm tra cho đến công đoạn lắp ráp cuối cùng sẽ mang lại rủi ro đáng kể và các thay đổi vì kết quả kiểm tra có thể tác động rất lớn vào lịch trình. Sau đó, điều chắc chắn là chi phí kiểm tra sẽ phát sinh không tưởng và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường sẽ không thể đảm bảo. Sự phức tạp của vấn đề này càng tăng cao khi chúng ta biết rằng mỗi một trong số nhiều bộ điều khiển điện tử (ECU) trong ô tô cũng tương đương với một số lượng lớn tín hiệu đại diện cho các chức năng và loại I/O khác nhau, khiến cho việc kiểm tra toàn diện trở thành một thách thức. Những yếu tố này nghe có vẻ giống như việc tạo ra một vấn đề bất khả thi - đặt ra câu hỏi về khả năng của việc kiểm tra kỹ lưỡng mà vừa phải tiết kiệm chi phí và vừa phải tiết kiệm thời gian.

Giải pháp phải cung cấp khả năng kiểm tra toàn diện mà không yêu cầu dùng đến các sản phẩm đã được lắp ráp hoàn chỉnh. Bằng cách cho phép các ECU đang kiểm tra tương tác với trường hợp sử dụng ở dạng mô phỏng, bạn có thể kiểm tra sớm và thường xuyên để có thể phát hiện ra càng nhiều lỗi phần mềm càng tốt. Đây là cơ sở của kiểm tra hardware-in-the-loop (HIL).

Hardware-in-the-Loop (HIL) là gì?

Kiểm tra hardware-in-the-loop (HIL) kết nối bộ điều khiển với hệ thống thử nghiệm mô phỏng hoạt động của sản phẩm đã lắp ráp trong điều kiện thực tế. Phương pháp này cho phép lặp lại thử nghiệm và thiết kế như thể các thiết bị đang hoạt động ngoài thực địa cùng với các thành phần khác. Bạn có thể dễ dàng chạy qua hàng nghìn tình huống có thể xảy ra để vận hành bộ điều khiển của mình một cách phù hợp mà không tốn kém và mất thời gian liên quan đến các thử nghiệm vật lý thực tế.

Một lần nữa, hãy xem xét một chiếc xe hơi. ECU động cơ chịu trách nhiệm chuyển đổi các phép đo của cảm biến thành hành động, ví dụ như điều chỉnh lượng khí nạp khi chân ga được nhấn xuống.

Hình 1: Hệ thống kiểm tra

Việc kiểm tra hardware-in-the-loop (HIL) thay thế động cơ bằng mô phỏng, bao gồm phần cứng và phần mềm tương tác với I/O thực như thể có sự hiện diện của động cơ vật lý. Vì các thay đổi cập nhật có thể được thực hiện trong phần mềm, bạn có thể nhanh chóng kết hợp các thay đổi phần mềm của ECU hoặc động cơ, kiểm tra trên phạm vi rộng các tình huống có liên quan và mở rộng phạm vi kiểm tra khi cần để kiểm tra toàn diện và không lo sợ gặp rủi ro đối với hệ thống vật lý tốn kém.

Hình 2: Động cơ được thay thế bằng mô phỏng hardware-in-the-loop (HIL)

Để kiểm tra hardware-in-the-loop (HIL) có giá trị, chất lượng của phần mềm mô phỏng là vô cùng quan trọng. Phần mềm mô phỏng phải được ghép nối với phần cứng, trong đó không chỉ tính đến phần các thông số kỹ thuật của hệ thống như các loại đầu nối và I/O mà còn phải cho phép chèn lỗi và khả năng kiểm tra các tình huống trong thế giới thực.

Hình 3: Các yêu cầu mô phỏng

Đây là nơi mà bạn sẽ cảm thấy gánh nặng trong việc lựa chọn phần cứng và phần mềm nào bạn sẽ sử dụng để đảm bảo phạm vi kiểm tra tối đa song song với giảm thiểu thời gian dành cho thiết lập và khả năng sử dụng hệ thống. Ngoài ra, để bắt kịp với các yêu cầu thay đổi nhanh chóng của thị trường, bạn có nhiệm vụ tìm ra giải pháp không chỉ phải giải quyết bài kiểm tra này mà còn cả bài kiểm tra tiếp theo, đòi hỏi những hệ thống kiểm tra phải có thể tùy chỉnh được và phải phù hợp với tương lai.

Cách tiếp cận dựa trên nền tảng để HIL chinh phục các thử thách kiểm tra

NI cung cấp giải pháp phần cứng và phần mềm toàn diện giúp bạn bắt đầu nhanh chóng với phần mềm cấu hình và các I/O dạng mô-đun. Thay vì sử dụng một giải pháp chung với các tính năng và I/O tốn kém không liên quan đến bài kiểm tra, các giải pháp NI được điều chỉnh cho phù hợp với ứng dụng cụ thể của bạn. Bạn có quyền tự do tùy chỉnh phần cứng và phần mềm để tính đến các tín hiệu không tiêu chuẩn và mở rộng số lượng I/O nếu cần.

Thiết kế cho hệ thống hiện tại và chuẩn bị cho hệ thống tương lai

Tích hợp các yêu cầu an toàn đang thay đổi và các quy định của chính phủ, kết hợp các cảm biến mới và đáp ứng các công nghệ theo yêu cầu của thị trường chỉ là một vài ví dụ minh họa rằng hệ thống kiểm tra có thể sử dụng được và tiết kiệm chi phí nhất nếu nó có thể đáp ứng các yêu cầu thay đổi này. Bộ mô phỏng NI HIL được xây dựng trên kiến trúc mở dựa trên phần cứng thương mại có sẵn (commercial off-the-shelf - COTS) như PXI và SLSC (switch load signal conditioning : chuyển mạch - tải - điều hòa tín hiệu) để đảm bảo rằng bạn có thể tùy chỉnh hệ thống để đáp ứng nhu cầu kiểm tra của mình và theo kịp xu hướng phát triển của ngành. Khi các ý tưởng mới xuất hiện trong thiết kế và khi công nghệ phát triển, bạn có thể giảm nguy cơ tụt lại phía sau bằng cách làm hệ thống kiểm tra của mình sử dụng được trong tương lai thông qua việc sử dụng phần cứng và phần mềm thích ứng với sự thay đổi của bạn.

Giải quyết sự phức tạp ngày càng tăng

Mục tiêu của kiểm tra là tạo ra những thay đổi phần mềm được thông báo nhằm dẫn đến sản phẩm mong muốn cuối cùng. Khi các lỗi phần mềm được phát hiện và các thay đổi được thực hiện, các hệ thống kiểm tra phải thích ứng. Các hệ thống đóng, cố định khó có thể, nếu không muốn nói là không thể, đáp ứng cho việc tăng số lượng kênh và các loại I/O thay đổi. Phần cứng dạng mô-đun của NI như PXI và I/O có thể cấu hình lại (reconfigurable I/O - RIO) dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp, cho phép bạn thêm I/O và thay đổi loại I/O mà không cần xây dựng lại hệ thống kiểm tra.

Phần mềm kiểm tra dạng cấu hình như VeriStand tích hợp liền mạch với phần cứng mô-đun, đảm bảo rằng phần mềm và phần cứng luôn đồng bộ khi thực hiện thay đổi hệ thống kiểm tra. Đối với các mô hình được sử dụng trong các ứng dụng như điện tử công suất, trong đó độ trung thực của mô hình và thời gian phần cứng đáng tin cậy là yếu tố then chốt, VeriStand có thể kết hợp code FPGA của riêng bạn, cho phép bạn chọn mức tùy chỉnh cần thiết cho ứng dụng của mình.

Theo kịp với yêu cầu thay đổi thiết kế

Với nền tảng mở của NI, bạn có thể tận dụng lợi thế của phần cứng và phần mềm có thể tương tác và chọn cách tiếp cận mà bạn cho là tốt nhất, chẳng hạn như sử dụng phần cứng của đối tác chuyên dụng, chọn Python để tự động hóa và sử dụng các mô hình từ nhiều môi trường bao gồm Simulink®. Các sản phẩm của NI tương thích với ASAM XIL, nghĩa là bạn đang đầu tư vào một tiêu chuẩn công nghiệp có thể thích ứng, đáng tin cậy thay vì là một giải pháp chỉ có thể dùng một lần.

Phần mềm kiểm tra dạng cấu hình của NI, VeriStand, chạy trên hệ điều hành xác định, thời gian thực, nơi bạn có thể kiểm tra ngay mà không cần lập trình. Tuy nhiên, khi phát sinh các trường hợp đặc biệt, phần mềm này có thể được tùy chỉnh bằng code LabVIEW của riêng bạn. Các phần cứng FPGA có thể cấu hình lại cung cấp khả năng kiểm soát tận gốc I/O của bạn và cho phép bạn triển khai xử lý nội tuyến (in-line processing) trên phần cứng. Các phần cứng này có thể thay đổi cực kỳ nhanh chóng bằng phần mềm, tùy theo ý tưởng tiếp theo của bạn!

Bạn là chuyên gia

Không ai hiểu thiết kế của bạn bằng chính bạn. Các thử nghiệm HIL đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng của bạn chính xác là những gì bạn mong muốn trong khi giảm thiểu chi phí và thời gian đưa ra thị trường. Phần cứng và phần mềm NI để thử nghiệm HIL cung cấp cho bạn sức mạnh để thiết kế hệ thống thử nghiệm mà bạn cần để sản xuất một cách đáng tin cậy sản phẩm mà bạn hình dung.