硬件在环

硬件在环仿真 (Hardware-in-the-loop simulation, HiL或HIL) ，是一种用于实时嵌入式系统的开发和测试技术。硬件在环仿真提供动态系统模型，可以模拟真实的系统环境，加入相关动态系统的数学表示法，并通过嵌入式系统的输入输出将其与仿真系统平台相连。动态系统的数学表示法称为“受控设备仿真”，嵌入式系统控制模拟受控设备，以测试系统。

硬件在环的原理

硬件在环（HIL）仿真必须包括传感器以及致动器的电子仿真，这些电子仿真是仿真的受控设备以及待测嵌入式系统的接口。电子仿真传感器的数值是由仿真的受控设备所控制，再由待测嵌入式系统读取。待测嵌入式系统会实现控制算法，改变让致动器控制信号。控制信号的变化就会改变模拟受控设备的控制输入以及内部状态。

例如，防抱死制动系统（ABS）开发的HIL仿真平台可能会有以下子系统的仿真受控设备：

• 车辆动力学，例如悬吊系统、轮子、轮胎、俯仰（pitch）、偏摆（yaw）及翻滚（Roll）
• 刹车系统液压器件的动态
• 道路特性

用途

有些嵌入式系统，最快速测试的方式是将系统连接到真实的受控设备。不过有些情形用HIL仿真会更有效率。开发及测试效率的评定，一般会包括成本、需要时间、安全以及可行性等因素。

某一方案的成本需考虑其设备以及投入心力的总成本。开发以及测试需要的时间会影响产品的上市时间。在费用评估时也会考虑安全因素以及开发时间。以下的一些情形会特别需要使用硬件在环仿真。

强化测试质量

导入HIL可以增加测试的范围，因此可以强化测试的质量。 理想上，嵌入式系统的测试要配合真实的受控体进行，不过真实的受控体会有一些限制，这些限制也会影响测试的范围。例如，测试真实的发动机控制器可能会让测试工程师处在以下的危险情境中：

• 在特定控制器参数（例如发动机参数）的范围边界上（或是边界以外）测试。
• 在失效的条件下测试及确认系统。

在上述的测试情境下，HIL可以有效的控制系统，并且提供安全的测试环境，让测试工程师及应用工程师可以专注在控制器的性能上。

开发时程紧凑

车辆、航天或是国防武器的开发时程紧凑，无法在有原型之后才开始测试。事实上，大部分新的开发时程都会假设在产品开发时，就已经同步进行HIL仿真。例如内燃机完成原型，可以配合控制系统测试时，其中95%的测试可能已经先用HIL仿真测试过。

航天或国防产业常常会规划相当紧的时程。飞机以及车辆的开发一般会用电脑以及HIL同时进行设计、测试以及集成。

高负担率的受控设备

有些应用的实际受控设备比高保真度的实时仿真器还贵，使用实际受控设备的负担率较高。因此配合HIL仿真器开发及测试会比用实际受控设备要经济。例如对于喷气发动机制造商而言，HIL仿真是发动机开发的基础。像开发飞机喷气发动机的全权数字发动机控制（FADEC）就是高负担率受控设备的一个例子。喷气发动机造价高达上百万美元，相反的，进行喷气发动机制造商完整测试所需要的HIL仿真器，价格可能只需要喷气发动机的十分之一。

不同领域的应用

车辆系统

在汽车应用当中“硬件在环仿真提供了一台供系统确认级验证用的虚拟车辆。”。由于在针对发动机控制器的性能及诊断机能评估，若都要在汽车内进行测试，会有耗时、昂贵而且无法重现的问题。HIL仿真可以让开发者评估新的硬件及软件对策，满足质量相的要求以及上市时间的限制。在典型的HIL器中，会用特制的实时处理器处理仿真发动机动态的数学模型，而且I/O单元可以连接车辆的传感器及执行器（多半是高度非线性的器件）。最后将待测的电子控制器（ECU）连接到此系统，再用一些仿真器产生的车辆行为来确认系统的行为。

在文献中有提过几种专门针对HIL的应用，也用依特殊需求订制的简化版HIL仿真器。例如若测试新发行的电子控制器软件，可能会在开回路下进行测试，因此不需要太多的发动机动态模型。此时的策略就限制在分析有控制输入时的电子控制器输出。此时微HIL系统（MHIL）是较简单而且较经济的对策。因为省略了复杂的模型处理，全阶的HIL系统可以简化为包括信号发生器，I/O版，以及包括致动器信号的面板的可携型HIL系统。

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