2024年4月4日发(作者：速幼荷)
基于LabVIEW RT的硬件在环仿真
吴海东;郭孔辉;卢荡
【摘 要】利用实时仿真环境LabVIEW RT,构建了包括整车转向盘转角、油门、制
动物理信号的硬件在环仿真系统.采用实时车辆动力学软件CarSim RT建立了车辆
模型,并利用所搭建的试验台架进行了HIL仿真.结果表明,利用LabVIEW RT和
CarSim RT能快速搭建面向整车开发的HIL系统,所建系统性价比高,而且有很好的
实时性和扩展性.
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2010(000)009
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】整车开发硬件在环;动力学仿真;LabVIEW RT
【作 者】吴海东;郭孔辉;卢荡
【作者单位】吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室;吉林大学汽车动态模拟国家
重点实验室;吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】U461
1 前言
为了节约成本，缩短开发周期，提高仿真精度，越来越多的汽车产品开发中采用硬
件在环（HIL）仿真技术[1～3]，其基本目的有两个，一是用于整车关键零部件原
型开发和性能测试，利用HIL仿真，可在整车物理样车未成型阶段，对关键零部
件进行性能测试和初步参数匹配，如有的主机厂将HIL仿真作为某一零部件的标
准检测流程，如该产品未通过该项测试，将不会进入产品开发的下一个阶段；另一
个原因是在整车仿真中，建立包含液压、气动等系统的准确数学模型比较困难，而
将实际的物理系统嵌入到整车模型中，可提高整车仿真精度。LabVIEW是美国
NATIONALINSTRUMENTS（NI）公司开发的一种图形化编程语言，广泛用于工
业控制、测试测量等。LabVIEWRT是NI为实时领域应用开发的软硬件构架。
CarSim RT是美国Mechanical Simulation公司推出的面向实时仿真的整车动力
学仿真软件，广泛应用于整车动力学CAE分析、整车先进控制策略开发、HIL 仿
真[4]等。
2 系统构成
所建HIL仿真系统结构如图1所示，其硬件组成包括主机（Host PC）、实时目标
机、多功能数据采集卡、实车制动系统、部分转向系统、电子油门、压力传感器和
转角编码器。所搭建的物理系统如图2所示，其中制动系统由实车的零部件真空
制动器、制动主缸、前盘式制动器总成，后鼓式制动器总成组成。为了测量转向盘
转角，改造了实车的转向系统，用螺旋弹簧简单模拟路面负载，提供驾驶反力。采
用4个压力传感器测量4个制动轮缸的制动压力，利用增量式转角编码器测量转
向盘转角，而电子油门能直接输出反应油门位置的电压信号。用NI的M系列多
功能数据采集卡PCI-6251测量各模拟信号和数字信号，数据采集卡通过PCI总线
在实时目标机内与实时系统通信。实时目标机采用高性能PC机，基本配置为华硕
P43主板，酷睿2 E6400 CPU，2 G内存，160 G硬盘，INTEL82540千兆网卡。
由于NI的RT系统不是支持所有的PC硬件，利用LabVIEW中的MAX工具制作
台式机工具U盘，对所建立目标机进行评估测试，结果显示所选硬件满足
LabVIEW RT目标机的要求。目标机通过TCP/IP协议与主机通讯。
图1 HIL仿真系统结构
图2 HIL仿真平台物理系统
3 软件连接
CarSim是可独立运行的整车动力学仿真软件，为了能应用于不同的实时系统，
Mechanical Simulation公司分别为不同的系统开发了接口模块，包括图形用户
接口（GUI）和相应实时系统的实时求解器（DLL和LLB）。针对 LabVIEWRT，
CarSim 中设计了仿真初始化（*_）、单步迭代(*_)、仿真终止
（*_）3 个子程序（VI），* 代表不同的整车拓扑结构，每个子VI都
通过LabVIEW中的调用函数节点调取相应整车拓扑结构动态库中的函数。图3中
含有所建系统的整车模型仿真循环，整个HIL仿真系统在LavVIEW RT环境下搭
建。在仿真循环中，首先进行CarSim模型初始化，即调用初始化vi，这时会将
CarSim GUI所有信息传递给模型求解器，包括车辆各总成特性参数、环境参数、
路面参数、操作方式等。在每次仿真迭代步，LabVIEW都调用CarSim单步迭代
vi，每一步都可以接收外部信号，输出仿真状态信号，循环结束后，调用终止vi
释放资源。
图3 HIL仿真程序结构
4 数据采集
本系统采用NI的PCI-6251对物理信号进行测量。PCI-6251是一个高速的M系
列多功能数据采集卡[5]，可进行16通道16位模拟测量（单端采集）或8通道差
分模拟测量，多通道数据采样频率可达1 MS/s,两个32位计数器可对转角编码器
的正交脉冲进行测量，还有两个16位的模拟输出。NI为其数据采集设备开发了
完备的驱动软件，其最新版本为NI-DAQmx，利用其强大的API函数，可以方便
地进行创建通道、通道参数配置、采样时钟设置、数据读取设置。在本系统的数据
采集中，创建了两类任务（LabVIEW中，创建通道时，如未指定任务，则自动创
建任务），即角度编码器测量任务和模拟信号测量任务。由于此系统中共测量5
个模拟信号，故创建5个虚拟通道，分别进行参数设置，5个创建通道vi串联在
同一个模拟信号采集任务中。数据采集循环和模型仿真循环同在一个应用程序中，
但利用LabVIEW RT的SMP（多处理器支持），可为不同的循环指定不同的CPU。
5 系统集成
系统集成时，首先将数据采集卡插入目标机的PCI插槽，然后用网线将目标机和
主机连接，这时打开NI的 MAX （Measurement&Automation Explorer，用于
访问NI的软硬件），在MAX的左侧信息栏，会发现与NI产品有关的所有软件
和硬件资源。MAX的远程系统项下，出现与主机联接的目标机，可对目标机的名
称和IP进行重新设置。目标机下，显示了其中安装的所有硬件和软件。在配置新
的实时系统前，利用MAX的软件安装向导向目标机安装LabVIEWRT的所有相关
软件，包括实时系统和硬件驱动。一般的LabVIEWRT实时应用程序的开发流程是
在主机的LabVIEW环境下，创建实时项目，利用图形化编程语言和驱动程序提供
的API函数，编制实时应用程序。利用项目管理程序文件、库文件和程序间的依
赖关系等，然后将主程序连同相关的其他程序和资源部署到目标机上，进行实时运
算。仿真主程序在目标机实时系统下独立地进行实时运算，而主机只是通过网络通
讯的方式对一些仿真变量进行监控，由于主机数据监测线程的优先级比较低，只有
在主程序迭代空闲时才执行，所以不影响系统的实时性。在主程序搭建前，可利用
MAX中的测试面板工具，对模拟信号和数字信号进行初步检测，观察各信号是否
正常。
在为此系统开发的主应用程序中，创建了两个定时循环，分别为车辆模型仿真计算
和物理信号数据采集循环。两个循环使用一个定时源，之间通过共享变量的方式进
行数据交互，其中车辆模型需要的输入变量首先在CarSim相应的GUI中指定。
CarSim中有近300个输入变量可供用户从外界输入。这些外部变量通过相加、替
换、相乘3种方式和对应的内部变量结合。在GUI中，还要进行主机和目标机IP
设置、主程序所在项目路径设置。另外，还可以对CarSim的输出变量进行设置，
这些变量既可以在主机上进行监视，也可以作为驱动一些硬件的信号源。
6 HIL仿真
利用所搭建的HIL仿真平台，可以进行驾驶员闭环整车仿真测试。由于本系统不
能准确反馈转向负载，故不能进行整车测试中涉及力输入的仿真。力输入的整车仿
真与驾驶员力感有关，在通常的操稳仿真中，只有转向回正性能和转向轻便性试验
涉及到力输入和力测量，而角输入仿真还是能反映很多重要的整车性能。可进行的
仿真测试项目包括稳态转向试验、蛇形试验、双移线试验、复杂赛道模拟试验、加
速试验、制动试验等。图4～图9为参考汽车行业国家标准的相关规定，进行驾驶
员实际操作的稳态回转硬件HIL测试结果。仿真测试中，整车参数选用CarSim软
件中一套内建的D级车参数，采用国标中半径20 m的圆周道路。在加速过程中，
纵向加速度控制在0.25 m/s2以内，但由于采用CarSim内部的自动变速器模型，
参数并没有进行详细的优化，还有驾驶员驾驶因素，加速时有换挡冲击现象（图
5）。仿真结果显示，整个系统软硬件运行正常，物理信号数据采集、目标机内部
数据传递都能实时完成，并能实时反映驾驶员的驾驶意图，体现车辆在驾驶员操控
下的整车特性。由于没有相应的实车试验，文中并没有进行仿真和实车试验的对比，
但仿真结果与同级别车相应试验数据的趋势一致。Lab-VIEWRT提供实时执行跟
踪工具检测程序执行的实时性，可以查看程序中每个线程和子程序的执行时间，结
果表明，每次模型迭代用时平均不到180 μs，信号测量平均用时不到70μs。仿真
循环和测量循环分别在不同的CPU上执行，每个循环周期指定为1 000μs，所以
系统完全满足实时运行要求。
图4 大地坐标下汽车行驶轨迹
图5 汽车纵向加速度仿真测试结果
图6 汽车侧向加速度图仿真测试结果
7 汽车横摆角速度仿真测试结果
图8 汽车纵向速度仿真测试结果
图9 汽车车身侧倾角仿真测试结果
7 结束语
本文利用工业上广泛应用的实时系统LabVIEWRT和车辆模型CarSim RT，建立
了整车的硬件HIL系统，进行了物理硬件与软件环境的连接，制定了数据采集、
模型计算、数据交互的实时运行机制。两个工业级软件虽然在各自领域有广泛的工
业应用，但结合起来做汽车方面的HIL仿真还处于探索阶段，而且此系统利用通
用的PC机做实施目标机，速度上和高性能NIPXI相当，也有较高的稳定性，大大
节约了系统成本。所建系统能够方便的进行包括驾驶员实际驾驶的HIL仿真测试，
具有很好的扩展性和实时性，为下一步进行更复杂的HIL研究和应用打下了良好
的软硬件基础。
参考文献
【相关文献】
1 Hanselmann es in Desktop Hardware-in-the-Loop er
970932,1997.
2 Gehring J and Schütte H.A Hardware-in-the-Loop Test Bench for the Validation of
Complex ECU Paper 2002-01-0801,2002.
3 丁海涛,郭孔辉,张建伟,等.汽车ESP硬件与驾驶员在回路仿真试验台的开发与应用.汽车工程,2006
（4）:346～350.
4 郭孔辉,付皓,等.基于CarSim RT的车辆稳定性系统控制器开发.汽车技术，2008（3）:1～4.
6 NATIONAL M Series User
a:NATIONALINSTRUMENTS,2008,A-65～A-71
2024年4月4日发(作者：速幼荷)
基于LabVIEW RT的硬件在环仿真
吴海东;郭孔辉;卢荡
【摘 要】利用实时仿真环境LabVIEW RT,构建了包括整车转向盘转角、油门、制
动物理信号的硬件在环仿真系统.采用实时车辆动力学软件CarSim RT建立了车辆
模型,并利用所搭建的试验台架进行了HIL仿真.结果表明,利用LabVIEW RT和
CarSim RT能快速搭建面向整车开发的HIL系统,所建系统性价比高,而且有很好的
实时性和扩展性.
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2010(000)009
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】整车开发硬件在环;动力学仿真;LabVIEW RT
【作 者】吴海东;郭孔辉;卢荡
【作者单位】吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室;吉林大学汽车动态模拟国家
重点实验室;吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】U461
1 前言
为了节约成本，缩短开发周期，提高仿真精度，越来越多的汽车产品开发中采用硬
件在环（HIL）仿真技术[1～3]，其基本目的有两个，一是用于整车关键零部件原
型开发和性能测试，利用HIL仿真，可在整车物理样车未成型阶段，对关键零部
件进行性能测试和初步参数匹配，如有的主机厂将HIL仿真作为某一零部件的标
准检测流程，如该产品未通过该项测试，将不会进入产品开发的下一个阶段；另一
个原因是在整车仿真中，建立包含液压、气动等系统的准确数学模型比较困难，而
将实际的物理系统嵌入到整车模型中，可提高整车仿真精度。LabVIEW是美国
NATIONALINSTRUMENTS（NI）公司开发的一种图形化编程语言，广泛用于工
业控制、测试测量等。LabVIEWRT是NI为实时领域应用开发的软硬件构架。
CarSim RT是美国Mechanical Simulation公司推出的面向实时仿真的整车动力
学仿真软件，广泛应用于整车动力学CAE分析、整车先进控制策略开发、HIL 仿
真[4]等。
2 系统构成
所建HIL仿真系统结构如图1所示，其硬件组成包括主机（Host PC）、实时目标
机、多功能数据采集卡、实车制动系统、部分转向系统、电子油门、压力传感器和
转角编码器。所搭建的物理系统如图2所示，其中制动系统由实车的零部件真空
制动器、制动主缸、前盘式制动器总成，后鼓式制动器总成组成。为了测量转向盘
转角，改造了实车的转向系统，用螺旋弹簧简单模拟路面负载，提供驾驶反力。采
用4个压力传感器测量4个制动轮缸的制动压力，利用增量式转角编码器测量转
向盘转角，而电子油门能直接输出反应油门位置的电压信号。用NI的M系列多
功能数据采集卡PCI-6251测量各模拟信号和数字信号，数据采集卡通过PCI总线
在实时目标机内与实时系统通信。实时目标机采用高性能PC机，基本配置为华硕
P43主板，酷睿2 E6400 CPU，2 G内存，160 G硬盘，INTEL82540千兆网卡。
由于NI的RT系统不是支持所有的PC硬件，利用LabVIEW中的MAX工具制作
台式机工具U盘，对所建立目标机进行评估测试，结果显示所选硬件满足
LabVIEW RT目标机的要求。目标机通过TCP/IP协议与主机通讯。
图1 HIL仿真系统结构
图2 HIL仿真平台物理系统
3 软件连接
CarSim是可独立运行的整车动力学仿真软件，为了能应用于不同的实时系统，
Mechanical Simulation公司分别为不同的系统开发了接口模块，包括图形用户
接口（GUI）和相应实时系统的实时求解器（DLL和LLB）。针对 LabVIEWRT，
CarSim 中设计了仿真初始化（*_）、单步迭代(*_)、仿真终止
（*_）3 个子程序（VI），* 代表不同的整车拓扑结构，每个子VI都
通过LabVIEW中的调用函数节点调取相应整车拓扑结构动态库中的函数。图3中
含有所建系统的整车模型仿真循环，整个HIL仿真系统在LavVIEW RT环境下搭
建。在仿真循环中，首先进行CarSim模型初始化，即调用初始化vi，这时会将
CarSim GUI所有信息传递给模型求解器，包括车辆各总成特性参数、环境参数、
路面参数、操作方式等。在每次仿真迭代步，LabVIEW都调用CarSim单步迭代
vi，每一步都可以接收外部信号，输出仿真状态信号，循环结束后，调用终止vi
释放资源。
图3 HIL仿真程序结构
4 数据采集
本系统采用NI的PCI-6251对物理信号进行测量。PCI-6251是一个高速的M系
列多功能数据采集卡[5]，可进行16通道16位模拟测量（单端采集）或8通道差
分模拟测量，多通道数据采样频率可达1 MS/s,两个32位计数器可对转角编码器
的正交脉冲进行测量，还有两个16位的模拟输出。NI为其数据采集设备开发了
完备的驱动软件，其最新版本为NI-DAQmx，利用其强大的API函数，可以方便
地进行创建通道、通道参数配置、采样时钟设置、数据读取设置。在本系统的数据
采集中，创建了两类任务（LabVIEW中，创建通道时，如未指定任务，则自动创
建任务），即角度编码器测量任务和模拟信号测量任务。由于此系统中共测量5
个模拟信号，故创建5个虚拟通道，分别进行参数设置，5个创建通道vi串联在
同一个模拟信号采集任务中。数据采集循环和模型仿真循环同在一个应用程序中，
但利用LabVIEW RT的SMP（多处理器支持），可为不同的循环指定不同的CPU。
5 系统集成
系统集成时，首先将数据采集卡插入目标机的PCI插槽，然后用网线将目标机和
主机连接，这时打开NI的 MAX （Measurement&Automation Explorer，用于
访问NI的软硬件），在MAX的左侧信息栏，会发现与NI产品有关的所有软件
和硬件资源。MAX的远程系统项下，出现与主机联接的目标机，可对目标机的名
称和IP进行重新设置。目标机下，显示了其中安装的所有硬件和软件。在配置新
的实时系统前，利用MAX的软件安装向导向目标机安装LabVIEWRT的所有相关
软件，包括实时系统和硬件驱动。一般的LabVIEWRT实时应用程序的开发流程是
在主机的LabVIEW环境下，创建实时项目，利用图形化编程语言和驱动程序提供
的API函数，编制实时应用程序。利用项目管理程序文件、库文件和程序间的依
赖关系等，然后将主程序连同相关的其他程序和资源部署到目标机上，进行实时运
算。仿真主程序在目标机实时系统下独立地进行实时运算，而主机只是通过网络通
讯的方式对一些仿真变量进行监控，由于主机数据监测线程的优先级比较低，只有
在主程序迭代空闲时才执行，所以不影响系统的实时性。在主程序搭建前，可利用
MAX中的测试面板工具，对模拟信号和数字信号进行初步检测，观察各信号是否
正常。
在为此系统开发的主应用程序中，创建了两个定时循环，分别为车辆模型仿真计算
和物理信号数据采集循环。两个循环使用一个定时源，之间通过共享变量的方式进
行数据交互，其中车辆模型需要的输入变量首先在CarSim相应的GUI中指定。
CarSim中有近300个输入变量可供用户从外界输入。这些外部变量通过相加、替
换、相乘3种方式和对应的内部变量结合。在GUI中，还要进行主机和目标机IP
设置、主程序所在项目路径设置。另外，还可以对CarSim的输出变量进行设置，
这些变量既可以在主机上进行监视，也可以作为驱动一些硬件的信号源。
6 HIL仿真
利用所搭建的HIL仿真平台，可以进行驾驶员闭环整车仿真测试。由于本系统不
能准确反馈转向负载，故不能进行整车测试中涉及力输入的仿真。力输入的整车仿
真与驾驶员力感有关，在通常的操稳仿真中，只有转向回正性能和转向轻便性试验
涉及到力输入和力测量，而角输入仿真还是能反映很多重要的整车性能。可进行的
仿真测试项目包括稳态转向试验、蛇形试验、双移线试验、复杂赛道模拟试验、加
速试验、制动试验等。图4～图9为参考汽车行业国家标准的相关规定，进行驾驶
员实际操作的稳态回转硬件HIL测试结果。仿真测试中，整车参数选用CarSim软
件中一套内建的D级车参数，采用国标中半径20 m的圆周道路。在加速过程中，
纵向加速度控制在0.25 m/s2以内，但由于采用CarSim内部的自动变速器模型，
参数并没有进行详细的优化，还有驾驶员驾驶因素，加速时有换挡冲击现象（图
5）。仿真结果显示，整个系统软硬件运行正常，物理信号数据采集、目标机内部
数据传递都能实时完成，并能实时反映驾驶员的驾驶意图，体现车辆在驾驶员操控
下的整车特性。由于没有相应的实车试验，文中并没有进行仿真和实车试验的对比，
但仿真结果与同级别车相应试验数据的趋势一致。Lab-VIEWRT提供实时执行跟
踪工具检测程序执行的实时性，可以查看程序中每个线程和子程序的执行时间，结
果表明，每次模型迭代用时平均不到180 μs，信号测量平均用时不到70μs。仿真
循环和测量循环分别在不同的CPU上执行，每个循环周期指定为1 000μs，所以
系统完全满足实时运行要求。
图4 大地坐标下汽车行驶轨迹
图5 汽车纵向加速度仿真测试结果
图6 汽车侧向加速度图仿真测试结果
7 汽车横摆角速度仿真测试结果
图8 汽车纵向速度仿真测试结果
图9 汽车车身侧倾角仿真测试结果
7 结束语
本文利用工业上广泛应用的实时系统LabVIEWRT和车辆模型CarSim RT，建立
了整车的硬件HIL系统，进行了物理硬件与软件环境的连接，制定了数据采集、
模型计算、数据交互的实时运行机制。两个工业级软件虽然在各自领域有广泛的工
业应用，但结合起来做汽车方面的HIL仿真还处于探索阶段，而且此系统利用通
用的PC机做实施目标机，速度上和高性能NIPXI相当，也有较高的稳定性，大大
节约了系统成本。所建系统能够方便的进行包括驾驶员实际驾驶的HIL仿真测试，
具有很好的扩展性和实时性，为下一步进行更复杂的HIL研究和应用打下了良好
的软硬件基础。
参考文献
【相关文献】
1 Hanselmann es in Desktop Hardware-in-the-Loop er
970932,1997.
2 Gehring J and Schütte H.A Hardware-in-the-Loop Test Bench for the Validation of
Complex ECU Paper 2002-01-0801,2002.
3 丁海涛,郭孔辉,张建伟,等.汽车ESP硬件与驾驶员在回路仿真试验台的开发与应用.汽车工程,2006
（4）:346～350.
4 郭孔辉,付皓,等.基于CarSim RT的车辆稳定性系统控制器开发.汽车技术，2008（3）:1～4.
6 NATIONAL M Series User
a:NATIONALINSTRUMENTS,2008,A-65～A-71