HIL（Hardware-in-the-Lop）テストシステムアーキテクチャ

HILシミュレーションは、組込制御システムをより効率的にテストできる高機能なテスト方式です。組込制御システムをテストする際は、安全性やコストなどを考慮すると、完成されたシステムを使って全てのテストを実施するのは現実的ではありません。HILシミュレーションによってその問題の対象部分のみをシミュレーションすることで、システム全体で実世界のテストを行う前に、仮想環境で組込制御デバイスを徹底的にテストすることができます。この機能があれば、テストするシステムが複雑化しても、優れた費用対効果で信頼性や早期市場投入の要件を満たすことができます。HILテストによる制御システム検証の詳細については、Webイベント： HILテストとは（英語）をご覧ください。このチュートリアルでは、様々なHILテストシステムアーキテクチャと、その実装方法について解説します。

HILテストシステムのコンポーネント

HILテストシステムは、リアルタイムプロセッサ、I/Oインタフェース、オペレータインタフェースの3つの主要コンポーネントで構成されています。リアルタイムプロセッサは、HILテストシステムの中核をなすものです。それにより、ハードウェアI/O通信、データロギング、刺激信号生成、モデル実行など、HILテストシステムのほとんどのコンポーネントを確定的に実行することができます。テストの一部として物理的に存在していないシステムの部分を正確にシミュレーションするには、通常リアルタイムシステムが必要です。I/Oインタフェースとは、テスト対象ユニットと通信するアナログ、デジタル、バス信号です。I/Oインタフェースを使用すると、刺激信号の生成、データの集録・ロギング・解析、テスト対象の電子制御装置（ECU）とモデルがシミュレーションする仮想環境とのセンサ/アクチュエータ通信を行うことができます。オペレータインタフェースは、リアルタイムプロセッサと通信して、テストコマンドを提供し可視化を実現します。また、構成管理、テストオートメーション、解析、レポート生成などのタスクを実行することもあります。

図1. HILテストシステムは、リアルタイムプロセッサ、I/Oインタフェース、オペレータインタフェースの3つの主要コンポーネントで構成されています。

 

ハードウェア欠陥生成

多くのHILテストシステムでは、ハードウェア欠陥生成によってECUとシステムの他の部分で信号障害を発生させて、そのような条件下でデバイスの動作をテスト、特性評価、検証できます。そのためには、I/OインタフェースとECUの間に欠陥生成ユニット（FIU）を挿入し、例えばグランドに対する短絡や開回路などの欠陥条件下での操作と通常操作の間でインタフェース信号を切り替えることができます。

図2. ハードウェア欠陥生成により信号障害時のECUの動作をテストすることができます。

 

複数のECUを搭載したシステムのテスト

自動車、航空機、風力発電など一部の組込制御システムでは、多くの場合ネットワーク接続されたECUを複数使用して緊密に動作させています。当初はそれぞれのECUを個別にテストしますが、さらに徹底した仮想テストを行うために、完全な車両シミュレータやアイアンバードシミュレータなどシステムのインテグレーションHILテストシステムを使用することも少なくありません。

図3. 自動車、航空機、風力発電では複数のECUを使用

 

マルチECU制御システム（と一部のシングルECU制御システム）をテストする際は、追加の処理能力と配線の簡素化という2つのニーズについて考える必要があります。

 

追加の処理能力 - 分散処理

最新のマルチコア処理能力が備わっていても、システムによっては1つのシャーシの処理能力では足りない場合があります。そのようなシステムのパフォーマンス要件を満たすには、分散処理テクニックを利用することもできます。極めてチャンネル数の多いシステムでは、処理能力が足りないだけでなく、I/Oの追加も必要となります。逆に、プロセッサが不足しがちな大型モデルを使用するシステムでは、処理能力の追加目的のみでシャーシを追加することが多いため、それらのプロセッサは1つのタスク専用に使用して効果を高めています。シミュレータタスクをどのように分散するかによって、シャーシ間の共有トリガ/タイミングや確定性に優れたデータのミラーリングによる緊密な動作が可能となります。

図4. 処理能力を高めるために複数のシャーシを使用する際は、シャーシ間でのタイミングとデータ同期のインタフェースがしばしば必要となります。

 

配線の簡素化 - リモートI/O

多チャンネルシステムでの配線の実装と管理は、非常に時間とコストがかかる可能性があります。そのようなシステムでは、ECUとHILテストシステムの間で数百から数千におよぶ信号を接続することが必要な場合があるため、スペースの要件に対応させると何メートルもの距離になることがあります。

ただし確定性に優れたリモートI/O技術では、そのような複雑な配線を簡素化し、ECUにモジュール形式で接続可能にすることで、システム構成を効率的に修正することができます。I/Oインタフェースを備えたリアルタイム処理シャーシを含む1つのラックに全ての接続をルーティングするのではなく、確定性に優れたI/Oを使用すれば、システムの仮想部分を正確にシミュレーションするのに必要な高速確定性能を犠牲にすることなく、各ECUに近接したモジュール式I/Oインタフェースを利用することができます。

この方法の場合、ECUとI/Oインタフェースの接続をローカルで行い（1メートル未満）、1本のバスケーブルを使用してリアルタイム処理シャーシに接続することができるため、HILテストシステムの配線は簡素化されコストも大幅に削減されます。さらに、この方法はモジュール式なので、1つを除いた全てのECUをシミュレーションするマルチECUテストシステムから、実ECUを使用した場合のHILテストシステムまでスケールすることができます。

図5. 確定性に優れたリモートI/Oインタフェースを使用すると、ECUとI/Oインタフェースの接続がローカルで行えるため、HILテストシステムの配線を簡素化しコストを削減することができます。

 

HILテストシステムの実装

HILテストシステムに適したアーキテクチャが決まったら、次は開発要件に最適なリアルタイム処理コンポーネントを選択します。ナショナルインスツルメンツでは、HILテストシステム実装用に様々なリアルタイム処理オプションをご用意しています。それらのオプションは全てオープン業界規格に基づいていますので、常に最新のPC技術をHILテストシステムに活用することができるだけでなく、将来のシステム要件の変更にも対応することが可能です。

PXIは、テストや計測、制御のためのPCベースのオープンプラットフォームで、複数の高性能デュアル/クアッドコアプロセッサを含む様々なリアルタイムプロセッサオプションが利用できます。70社以上のメーカーから1200種類を超えるモジュールが提供されており、世界中の何千もの企業が採用しています。

PXIプラットフォームは、IRIG-B、IEEE 1588、SCRAMNet、反射メモリなど多くの同期技術とともに動作できるため、マルチシャーシのHILテストシステムでタイミングやトリガ、データを共有することができます。

また、ナショナルインスツルメンツでは低コストの省スペース型HILテストシステムも提供しています。NI CompactRIOとは、低コスト再構成可能集録・制御システムです。オープン組込アーキテクチャの小型システムで、再構成可能I/O（RIO）FPGA（field-programmable gate array）技術が採用されています。

この技術では、リアルタイムプロセッサとユーザによるプログラミングが可能なFPGAを組み合わせて、カスタムI/O機能を作成したりモデル実行や信号処理などのタスクからリアルタイムプロセッサを解放することで、HILテストシステムのパフォーマンスを高めることができます。

 

まとめ

お客様のHILテストシステムのニーズに最適なリアルタイム処理コンポーネントが決まったら、ECUの接続に必要なI/Oを選択する必要があります。お客様のHILテストシステムに使用できるI/Oインタフェースについては、HIL（Hardware-in-the-Lop）テストシステムのI/Oインタフェースを選ぶにはを参照してください。

 

こちらのページでは、HILテストシステム開発に関するさらに詳しい情報や、他の開発者によるNI HILプラットフォームの成功例などをご覧いただけます。