硬件在環

硬件在環仿真 (Hardware-in-the-loop simulation, HiL或HIL) ，是一種用於即時嵌入式系統的開發和測試技術。硬件在環仿真提供動態系統模型，可以模擬真實的系統環境，加入相關動態系統的數學表示法，並通過嵌入式系統的輸入輸出將其與仿真系統平台相連。動態系統的數學表示法稱為「受控裝置仿真」，嵌入式系統控制模擬受控裝置，以測試系統。

硬件在環的原理

硬件在環（HIL）仿真必須包括感測器以及致動器的電子仿真，這些電子仿真是仿真的受控裝置以及待測嵌入式系統的介面。電子仿真感測器的數值是由仿真的受控裝置所控制，再由待測嵌入式系統讀取。待測嵌入式系統會實現控制演算法，改變讓致動器控制訊號。控制訊號的變化就會改變模擬受控裝置的控制輸入以及內部狀態。

例如，防鎖死煞車系統（ABS）開發的HIL仿真平台可能會有以下子系統的仿真受控裝置：

• 車輛動力學，例如懸吊系統、輪子、輪胎、俯仰（pitch）、偏擺（yaw）及翻滾（Roll）
• 剎車系統液壓元件的動態
• 道路特性

用途

有些嵌入式系統，最快速測試的方式是將系統連接到真實的受控裝置。不過有些情形用HIL仿真會更有效率。開發及測試效率的評定，一般會包括成本、需要時間、安全以及可行性等因素。

某一方案的成本需考慮其裝置以及投入心力的總成本。開發以及測試需要的時間會影響產品的上市時間。在費用評估時也會考慮安全因素以及開發時間。以下的一些情形會特別需要使用硬件在環仿真。

強化測試質素

匯入HIL可以增加測試的範圍，因此可以強化測試的質素。 理想上，嵌入式系統的測試要配合真實的受控體進行，不過真實的受控體會有一些限制，這些限制也會影響測試的範圍。例如，測試真實的引擎控制器可能會讓測試工程師處在以下的危險情境中：

• 在特定控制器參數（例如引擎參數）的範圍邊界上（或是邊界以外）測試。
• 在失效的條件下測試及確認系統。

在上述的測試情境下，HIL可以有效的控制系統，並且提供安全的測試環境，讓測試工程師及應用工程師可以專注在控制器的效能上。

開發時程緊湊

車輛、航天或是國防武器的開發時程緊湊，無法在有原型之後才開始測試。事實上，大部份新的開發時程都會假設在產品開發時，就已經同步進行HIL仿真。例如內燃機完成原型，可以配合控制系統測試時，其中95%的測試可能已經先用HIL仿真測試過。

航天或國防產業常常會規劃相當緊的時程。飛機以及車輛的開發一般會用電腦以及HIL同時進行設計、測試以及整合。

高負擔率的受控裝置

有些應用的實際受控裝置比高傳真度的實時仿真器還貴，使用實際受控裝置的負擔率較高。因此配合HIL仿真器開發及測試會比用實際受控裝置要經濟。例如對於噴射引擎製造商而言，HIL仿真是引擎開發的基礎。像開發飛機噴射引擎的全權數碼引擎控制（FADEC）就是高負擔率受控裝置的一個例子。噴射引擎造價高達上百萬美元，相反的，進行噴射引擎製造商完整測試所需要的HIL仿真器，價格可能只需要噴射引擎的十分之一。

不同領域的應用

車輛系統

在汽車應用當中「硬件在環仿真提供了一台供系統確認級驗證用的虛擬車輛。」。由於在針對引擎控制器的效能及診斷機能評估，若都要在汽車內進行測試，會有耗時、昂貴而且無法重現的問題。HIL仿真可以讓開發者評估新的硬件及軟件對策，滿足質素相的要求以及上市時間的限制。在典型的HIL器中，會用特製的實時處理器處理仿真引擎動態的數學模型，而且I/O單元可以連接車輛的感測器及執行器（多半是高度非線性的元件）。最後將待測的電子控制器（ECU）連接到此系統，再用一些仿真器產生的車輛行為來確認系統的行為。

在文獻中有提過幾種專門針對HIL的應用，也用依特殊需求訂製的簡化版HIL仿真器。例如若測試新發行的電子控制器軟件，可能會在開迴路下進行測試，因此不需要太多的引擎動態模型。此時的策略就限制在分析有控制輸入時的電子控制器輸出。此時微HIL系統（MHIL）是較簡單而且較經濟的對策。因為省略了複雜的模型處理，全階的HIL系統可以簡化為包括訊號發生器，I/O版，以及包括致動器訊號的面板的可攜型HIL系統。

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