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。

硬体在环的原理

硬件在环（HIL）仿真必须包括感测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介面。电子仿真感测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演算法，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，防锁死煞车系统（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）
• 刹车系统液压元件的动态
• 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。

强化测试品质

导入HIL可以增加测试的范围，因此可以强化测试的品质。 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，测试真实的引擎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（例如引擎参数）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、航太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，大部份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。

航太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、测试以及整合。

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体及软体对策，满足品质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引擎动态的数学模型，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元件）。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体，可能会在开回路下进行测试，因此不需要太多的引擎动态模型。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产生器，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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