为您的HIL实验室选择硬件在环（HIL）系统时需考虑的8个方面

核心要点

• 最成功的HIL采购决策，应从时序、I/O适配性以及接口精度入手，而非仅关注标称规格。
• 工作流程和操作规程的支持对实验室日常效率的影响，远比许多采购人员预期的要大。
• 首套系统应能随着实验室的发展而扩展，这样即使工作范围扩大，也不必进行全面更换。

您首个硬件在环系统，在三年后仍应能适应您当时使用的实验室环境。

一个HIL系统在报价单上看起来可能很完善，但一旦您的团队开始连接控制器、导入模型并添加新测试台，仍可能出现问题。大多数采购后悔都源于早期被草草带过的规格细节，例如求解器响应时间、I/O适配性、协议支持，以及平台达到性能瓶颈的速度。精心筛选候选方案，不仅能延长HIL测试系统的使用寿命，还能减少过早出现的更换成本。

决定HIL系统采购的8项检查要点

成功采购HIL系统首先要考虑时序、I/O、接口、模型流和扩展路径这五个方面。如果这五个方面与您的实验室计划相吻合，那么硬件在环系统将能够从最初的台架搭建到后续的大规模验证工作，全程支持有效的测试，而无需采取拙劣的变通方案。

1. 将求解器的步长与您的最快控制环路相匹配

求解器的步长决定了整个HIL系统的运行节奏，因此必须与计划测试的最快系统响应相匹配。运行20 kHz环路频率的电机控制试验台所需的时序，与运行较慢的热力系统模型所需的时序截然不同。如果时间步长过慢，控制器在试验台上看似稳定，但一旦系统模型更接近实际工况，控制性能就会崩溃。

当涉及电力电子、开关市场活动 或紧耦合反馈回路时，这一延迟尤为关键。您应要求供应商提供与您自身系统相近的模型所展示的实际性能表现，而非泛泛的延迟声明。只有当计时数据能真实反映您实际运行的工作负载（包括I/O交换和通信流量）时，这些数据才有参考价值。

“如果时间步长太长，控制器在实验室测试中看似稳定，但一旦被控对象更接近实际情况，就会失效。”

2. 规划中钻机的输入输出数量

I/O 规划应涵盖您当前所需的测试台以及已知接下来将要部署的测试台。一个最初仅配备一个控制器的测试台，往往会逐渐增加额外的传感器、故障线、编码器通道和功率级信号。如果您仅根据今天的图纸上的确切数量进行采购，那么一旦测试范围扩大，端口就会立即告罄。

一个简单的电机驱动系统可能会比预期更快地占用模拟输入、数字输出、PWM捕获、旋转变压器信号以及安全联锁资源。如果您能根据信号类型、时序和隔离需求进行信号映射，并预留一些冗余容量，将是一个更明智的选择。预留的冗余容量所产生的成本，远低于因通道不足而重新搭建测试机架所需的成本。

3. 在适配器费用不断增加之前，先确认是否支持电信号

信号兼容性与通道数量同样重要，因为如果电气接口不匹配，原本简洁的系统配置就会变成一堆适配器的拼凑。HIL测试系统通常虽提供丰富的I/O接口，却仍可能无法满足您的硬件所需的电压范围、电流环路、编码器格式或隔离等级。这种不匹配会导致布线复杂、噪声问题以及技术支持方面的困扰。

实验室通常会在以下情况下发现这个问题：当控制器预期接收 24 V 数字信号，而仿真器端却设置为较低的逻辑电平时；或者当模拟量范围与传感器输出不匹配时。您肯定不希望每个测试台都必须配备外部信号调理盒。对常用信号的原生支持，既能确保测试结果的可重复性，也能使维护工作更加轻松。

4. 验证已投入使用的硬件所支持的协议范围

协议支持应与控制器、网关和测量工具已连接的总线及通信方式相匹配。如果硬件在环系统缺少关键接口，您将不得不使用桥接器和自定义脚本，这会增加延迟并产生额外的故障点。完善的通信支持可让您在每次重建测试用例时节省配置时间。

运行嵌入式控制器的团队需要 CAN 和串行链接，而另一种配置则在多台设备间采用基于以太网的通信和时间同步的消息传递。这些细节的影响远不止于便利性。它们决定了系统的确定性、日志记录质量以及故障注入选项。您需要确认协议在目标硬件上的实际执行情况，而不仅仅是一份功能表上的说明。

5. 确认模型导入在您当前的工具链中能够正常运行

模型兼容性决定了您的桌面开发工作能在多快的时间内转为在测试台上进行测试。如果您的HIL系统无法处理团队现有的模型格式、代码生成路径或 co-仿真 方法，那么每次更新都不得不依靠人工操作。这种阻力会延缓验证进程，并迫使工程师采用简化模型，从而导致重要行为无法被捕捉。

一种常见的情况是：一个小组提供的 plant 模型、另一个小组提供的嵌入式控制代码，以及必须在同一环境中运行的供应商 FMU。不能假设这些组件能无缝适配每个平台。请询问模型是如何准备、编译和部署的，然后检查每周对它们进行修订时会发生什么情况。

6. 审查满足严格时序要求的FPGA需求

当您的测试用例依赖于非常精细的时序、快速的切换行为或精确的信号仿真时，FPGA 的性能就显得尤为重要。基于 CPU 的测试平台虽然能很好地处理许多任务，但在亚微秒级市场活动 的情况下，它无法提供同等程度的确定性。您应尽早确定模型或 I/O 路径的哪些部分需要这种级别的精度。

电力电子测试台、旋转变压器仿真以及高速故障注入都是很好的例子。这些工作负载通常需要基于硬件时钟的执行，而非纯软件调度。不过，更大的FPGA并不一定就更好。如果您的实验室主要验证的是较慢的控制器和被控对象动态特性，那么额外的FPGA容量将处于闲置状态，而成本和配置复杂度却会随之增加。

7. 测试一个目标如何扩展为一个完整的实验室

可扩展性至关重要，因为大多数实验室不会长期停留在单台设备配置的阶段。最初仅购买一台控制器，往往会逐渐扩展到多个测试目标、更多用户以及同步的测试站。如果扩容需要采用全新的平台，那么最初的投资就只会成为一种短期权宜之计，而非实验室的稳固基础。

当一个逆变器的测试平台扩展为需要共享时间同步和通用工作流的充电器、电池和电机子系统时，就会出现这个问题。OPAL-RT 非常适合这一需求，因为它允许沿同一路径从入门级工作逐步过渡到更大规模的实验室，而无需强制进行全面替换。不过，您仍应实际测试扩展功能的运行情况，包括许可、同步以及现有模型的复用。

8. 在实验室发展遇到瓶颈之前，先审视产品路线图

产品路线图至关重要，因为系统过时其实早在无法开机之前就已经开始了。当一个平台无法在不依赖笨拙的附加组件的情况下处理更多的I/O、更新的协议或更复杂的模型时，它就已过时。您应该考虑：随着实验室需求日益增长，哪些升级能与当前配置保持兼容，哪些部件需要更换。

技术支持周期、备件计划、软件更新频率以及向后兼容性，这些因素都能反映出该平台还能实用多久。如果每次扩展都需要新的控制器卡、新的许可级别或不同的工作流程，那么一个目前看似价格低廉的系统，日后可能会迅速过时。明确的升级路径可以降低因设备过早过时而带来的采购风险。

选择一个可扩展的硬件在环系统

一套合适的HIL测试系统不仅能满足当前的时序和接口需求，还能为贵公司路线图中的下一代测试平台预留扩展空间。那些通过模块化硬件、兼容软件和切实可行的升级路径实现可扩展性的系统，将具有更长的使用寿命，并能避免实验室因本可预见的故障而进行昂贵的设备更换。

“通过模块化硬件、兼容软件和切实可行的升级路径实现可扩展性的系统，使用寿命会更长，也能让您的实验室免于那些本可轻易预见的昂贵更换。”

价格对比很容易，但日常操作的顺畅度才真正决定了长期价值。如果一个平台强制要求使用适配器、手动清理模型，或者为了实验室扩容而需要二次采购，那么它在员工时间上的消耗，将远超其最初节省的成本。OPAL-RT正因如此而具有优势，因为其采购路径可以从小规模起步，同时仍能支持未来实验室的扩展，这正是许多团队在首次采购时所需要的。

• 请要求提供与您自身情况相近的模型作为依据。
• 在签字确认之前，请清点备用I/O。
• 以书面形式核对信号电平和隔离情况。
• 确认协议在目标硬件上的执行情况。
• 购买前请规划好升级路径。