虚拟ECU实践：汽车发动机控制器仿真

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。

前序文章参考（点击文章标题查看详情）：

• 虚拟ECU：唤醒传统汽车开发灵魂
• 汽车ECU软件开发之应用层软件与底层软件
• 数字孪生：让ECU在数字环境中“栩栩如生”

▲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）。

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

▲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。

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。

使用仿真建模的方法，可以使基于INCA的发动机控制单元（ECU）标定、测量和诊断事半功倍。

在实际场景中进行测试，需根据具体的测试要求和标定项目进行设置和调试，同时也需要对测试数据进行分析和评估，以确保测试结果的准确性和可靠性。

▲真实ECU标定测试图

该过程中，存在以下问题：

1、实验环境限制：硬件标定需要使用实际的测试设备和实验车辆进行标定，因此需要考虑测试设备和实验车辆的可用性、实验场地和环境等因素，实验环境的限制可能会影响标定结果的精度和可靠性；

2、试验成本高：硬件标定需要使用实际测试设备和实验车辆，包括INCA硬件本身的试验成本，人力、物力和时间成本较高；

3、难以覆盖所有测试情况：硬件标定需要使用实际的测试设备和实验车辆进行标定，可能难以覆盖所有的测试情况，特别是在测试较为复杂的场景时，可能需要更多的测试车辆和测试设备来进行标定，试验成本和难度增加。

解决方案：

使用SkyEye模拟真实控制器中的所用芯片，运行真实的ECU软件，并建立虚拟CAN Bus和INCA上位机的连接，可高效解决标定场景中遇到的上述问题。

▲虚拟ECU标定测试图

同时，为解决仿真系统中发动机物理模型的问题，多领域分布式协同仿真平台DigiThread提供了一套通用的API 机制，可支持包括Simulink、MATLAB等各类虚拟模型的挂载。将Simulink生成的发动机模型和ECU软件建立连接，即可满足对于汽车领域各类系统半闭环仿真的需求。

本案例中，数据均由INCA上位机提供，标定工程师无需关心除标定工作以外的硬件连接关系，在实验室中即可轻松完成标定工作。

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