使用故障插入单元(FIU)进行电子测试

在许多硬件在环(HIL)测试系统中，硬件故障插入用于在电子控制单元(ECU)和系统其余部分之间创建信号故障，对ECU在特定故障条件下的行为进行测试、特征描述或验证。故障插入最常用于特定ECU（例如车辆、飞机、航空器和机械的ECU）必须对故障条件做出已知和可接受的响应的情况下。为此，需要在测试系统的I/O接口和ECU之间安装故障插入单元(FIU)，以便测试系统可以在正常运行和电池短路、接地短路或开路等故障状态之间进行切换。

图1所示为FIU在HIL测试系统中的常见安装方式。请注意，故障插入充当I/O和ECU之间的闸门。

图1.故障插入单元在动态测试系统中的典型安装位置

FIU的常见配置是“故障总线拓扑”，其中每个通道可针对一个或多个故障总线开路或短路。在该拓扑结构中，每个FIU通道由3个单刀单掷(SPST)继电器组成。通道的第一个继电器用作通路－在默认运行模式下，该继电器处于关闭状态，且FIU不受ECU与测试系统的影响。 

图2.默认运行模式下的FIU－所有信号均可通过

开路故障

为了仿真开路或中断故障，测试应用程序和待测设备(DUT)之间的信号线保持开路状态，以确定DUT在信号中断后的行为。可断开此继电器来模拟意外断电或开路状态，或者在规定的时间间隔内闭合继电器，来模拟间歇性连接或接触不良的情况。

图3.  使用FIU在通道1上仿真开路故障

接地短路或电源短路

为了仿真接地或电源短路，信号线从外部故障线路或故障总线连接至DUT。可配置故障总线以仿真电源线、系统接地或系统中的其他电源。 

图4.  使用FIU在通道1上仿真电源短路故障

引脚间短路

最后，为了仿真引脚间短路，将DUT信号线连接至一条或多条其他DUT信号线。

图5.使用FIU在通道0和通道1之间模拟引脚间短路故障

PXI凭借其触发和同步功能，为FIU提供理想的环境。由于HIL测试系统通常采用基于PXI的I/O架构，因此PXI还提供了仿真度极高的开关信号。此类系统通常通过NI VeriStand等嵌入式实时处理软件进行控制，因此基于PXI的FIU可让工程师轻松地通过编程来选择和控制运行其模型与测试序列的接口的故障。 

NI最近发布了首款FIU－NIPXI-2510，这是一款68通道、150 V、2 A的FIU，专为HIL应用而设计。每个模块都有68个馈通通道，针对1个或2个故障总线开路或短路。此外，每条故障总线都包含一个4×1输入的多路复用器，用户可以更灵活地通过软件控制添加故障类型和数量。

图6.  NI PXI-2510 68通道、2 A FIU

除了能与HIL测试系统轻松集成外，NI PXI FIU还具有与硬件相关的安全性、可靠性和连接性优势。

安全性

由于故障插入往往需要高电压与高电流，且安全性是HIL应用的重中之重，因此NI在设计FIU时尤其注重安全性具体而言，所有NI FIU均符合IEC 61010-1国际标准，并且其设计已通过UL等第三方机构的检验。最后，每个设备在发货前均已通过功能和安全性检测。

可靠性

与安全性类似，可靠性也是关系到长期测试完整性的关键问题。 虽然机电继电器均号称可运行数百万个周期，但在正常负载条件下其使用寿命仍非常有限。为提高长期可靠性，PXI-2510集成了板载继电器计数跟踪功能，可用于查看每个继电器的已运行周期数。这有助于确定维护和更换需求。PXI-2510为用户提供了可更换的继电器套件，以防继电器在指定使用寿命结束时出现常规故障。NI还认识到，在使用过程中，如果承受过高的电压和电流，这种不可预见的条件可能会意外损坏继电器，在这种情况下，用户可更换的继电器套件就有了用武之地。 最后，在机械可靠性方面，每个FIU设计均通过了高加速寿命试验(HALT)，以确保机械在高振动环境中的稳健性，从而可以在恶劣的现场条件下持续使用。

连接性

由于可能涉及大量通道且使用高电压和高电流，因此布线和连接性是故障插入应用的关键问题，但这一点往往容易被忽视。PXI-2510提供3种连接选项：螺栓端子、裸线和DIN连接器。每个选项都经过专门设计，可确保安全性、可靠性以及信号接线端屏蔽性能，从而提供完整的连接解决方案。这种设计可降低噪声和串扰现象，同时还可减少系统辐射。

如需详细了解PXI-2510的连接和布线选项，请访问“如何将信号连接至PXI-2510”教程。

除了专为故障插入设计的产品外，NI还提供各种通用开关产品，可用于自定义创建故障插入拓扑。以NI PXI-2586 10-通道、12 A SPST模块为例，该模块可用于创建故障插入的多种拓扑结构，包括3通道双总线FIU和9通道单总线FIU，详情可参阅本教程。

包括软件在内的系统集成是选择FIU的最终关键考虑因素。在Windows环境中，可通过NI-SWITCH软前面板(SFP)交互式配置和测试PXI FIU，该软件是一款专用于开关调试的图形化工具。对于自动化控制，随附的NI-DAQmx硬件驱动程序可通过LabVIEW Real-Time和Windows操作系统以编程方式访问模块的全部功能。 

最常见的是通过NI VeriStand控制HIL测试系统，NI VeriStand是一款用于配置实时测试应用的即用型软件环境。用户可利用NI VeriStand轻松控制NI PXI FIU，这意味着可在同一环境中管理FIU，同时配置实时I/O、激励配置文件、数据记录和警报；实施控制算法或系统仿真；为运行时可编辑的用户界面构建测试系统接口等等。

图7.通过NI VeriStand控制FIU

对于更高级且高时效性的控制，每个FIU模块均可通过PXI背板发送和接收触发信号。输入触发信号将可让开关提前至FIU硬件上加载的预定义列表中的下一个故障位置。输出触发信号则可用于在PXI系统的其他仪器上启动测量。对于自动化测试应用，实时仿真的触发信号可通过故障条件发送至序列，而对于需要更复杂序列和动态故障控制的应用，可使用PXI现场可编程门阵列(FPGA)模块经由PXI背板向/从一个或多个FIU发送/接收触发信号。

结论

如果应用对ECU可靠性要求非常高，则应考虑使用FIUNI创建的硬件和软件架构可用于将FIU集成至HIL测试系统，以提高设备的安全性和可靠性。

资源

• 汽车硬件在环(HIL)测试
• NI FIU硬件，PXI信号插入开关模块
• PXI开关概述
• 《VeriStand中FIU的使用》教程
• 下载HIL资源包