引言
快速原型和硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)在過(guò)去15至20年中用于高級(jí)電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。早期的此類系統(tǒng)是特定目的的電路板單元，用于模擬對(duì)未來(lái)軟硬件，以及未開(kāi)發(fā)或調(diào)試的產(chǎn)品級(jí)系統(tǒng)。工程師利用原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)能夠測(cè)試新式設(shè)計(jì)，證實(shí)算法，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中的較早階段檢測(cè)軟硬件集成。上述彼此不同的專用系統(tǒng)是在汽車(chē)和航空航天業(yè)中開(kāi)發(fā)。
近期推出的改進(jìn)了的軟硬件系統(tǒng)商業(yè)化模型，可實(shí)現(xiàn)快速原型和硬件在環(huán)仿真功能。廠商提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)配置，通?；贒SP芯片或高級(jí)的微處理器，如Digital Alpha或PowerPC。汽車(chē)和航空產(chǎn)業(yè)的公司采用上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用其功能及原型開(kāi)發(fā)速度，能夠加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，能夠在模擬環(huán)境中實(shí)時(shí)檢測(cè)原型電子部件，減少了昂貴的破壞性試飛試駕。這種商業(yè)上即售即用(COTS)的系統(tǒng)減少了對(duì)定制的專用硬件的需求，定制的專用硬件在設(shè)計(jì)、維護(hù)和擴(kuò)展方面都相當(dāng)困難。
圖1. 由模塊化框圖構(gòu)成典型控制系統(tǒng)。
圖2. 自動(dòng)代碼生成用于快速原型、硬件在環(huán)模擬和嵌入。
汽車(chē)應(yīng)用的商業(yè)系統(tǒng)
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)尤其歡迎商用快速原型和HIL系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)接口板提供了汽車(chē)設(shè)計(jì)中使用的特殊輸入輸出功能，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火提前、曲軸角度位置等功能。隨著上述系統(tǒng)的推出，同時(shí)也推出了系統(tǒng)建模工具，可在工作站或PC上圖形化定義算法和接口，并仿真控制模型的行為。完成最初的建模和仿真后，建模工具通過(guò)自動(dòng)生成原型代碼接口到快速原型和HIL系統(tǒng)。由于系統(tǒng)建模工具可方便地用于快速原型系統(tǒng)，因此有關(guān)工具成為汽車(chē)控制設(shè)計(jì)過(guò)程的有機(jī)組成部分。快速原型系統(tǒng)覆蓋了堅(jiān)固的車(chē)內(nèi)設(shè)備到大型臺(tái)架固定系統(tǒng)等，支持諸多輸入/輸出通道。原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)處理器為DSP或Digital Alpha處理器。
圖1顯示了典型的控制系統(tǒng)，其模型由模塊框圖構(gòu)成。控制器通過(guò)執(zhí)行器連接被控設(shè)備或引擎，從設(shè)備的傳感器讀取數(shù)值或信號(hào)，形成汽車(chē)和航空設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用基于模型的設(shè)計(jì)，可以仿真并測(cè)試框圖模型，驗(yàn)證控制設(shè)計(jì)和集成的被控設(shè)備模型。
圖2顯示了從模型控制器通過(guò)自動(dòng)代碼生成軟件到運(yùn)行快速原型系統(tǒng)的示意圖，在商用快速原型設(shè)備上實(shí)時(shí)檢測(cè)控制算法。同樣，模型被控設(shè)備部分自動(dòng)生成的代碼也可用于模擬設(shè)備的響應(yīng)和操作，在商用HIL設(shè)備上實(shí)時(shí)檢測(cè)原型控制器。
HIL系統(tǒng)對(duì)航空業(yè)的價(jià)值
隨著汽車(chē)業(yè)對(duì)快速原型系統(tǒng)的接受，航空業(yè)也意識(shí)到HIL系統(tǒng)的重大意義。航空領(lǐng)域的公司能夠模擬飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的飛行和環(huán)境特性。他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了高度發(fā)展的的系統(tǒng)FORTRAN模型，在實(shí)時(shí)硬件上運(yùn)行，這在概念上與汽車(chē)公司的快速原型的硬件相似。隨著更加先進(jìn)的基于模型的設(shè)計(jì)理念的推出，用于模型仿真和代碼生成的技術(shù)，可替代老式的COST硬件檢測(cè)系統(tǒng)上的FORTRAN模型。
先進(jìn)但昂貴
早期快速原型和HIL系統(tǒng)由汽車(chē)或航空公司自己開(kāi)發(fā)，或由專門(mén)系統(tǒng)供應(yīng)商開(kāi)發(fā)。上述系統(tǒng)常常各不相同，是內(nèi)部系統(tǒng)，需要內(nèi)部支持和維護(hù)員工。專門(mén)供應(yīng)商提供多種標(biāo)準(zhǔn)配置，根據(jù)需要執(zhí)行年度維護(hù)合同和定制支持。在上述情況下，兩種系統(tǒng)都相當(dāng)昂貴，限制了公司的使用，對(duì)公司投資于設(shè)備的資本提出很高要求。
基于PC的快速原型系統(tǒng)
五年前，第一款基于x86 PC的快速原型和HIL系統(tǒng)推出。盡管有關(guān)系統(tǒng)成本降低很多，但人們認(rèn)為其先進(jìn)性和功能都不如基于DSP的系統(tǒng)。上述系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)的PC處理器以及廣為采用的PC數(shù)據(jù)采集板。由于上述產(chǎn)品可使用任何類型或尺寸的x86處理器，因此所得的系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)多種性價(jià)比，這取決于客戶應(yīng)用所采用的PC類型。這種獨(dú)特的可擴(kuò)展性為提高PC處理器性能并降低存儲(chǔ)器價(jià)格提供了巨大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗性际羌促?gòu)即得的。不過(guò)，業(yè)界最初的反應(yīng)是持懷疑態(tài)度，擔(dān)心486或Pentium計(jì)算機(jī)處理復(fù)雜模型的實(shí)時(shí)速度。人們一般認(rèn)為PC不能完成快速原型或HIL這種依賴處理器的高級(jí)任務(wù)。當(dāng)時(shí)人們還未將PC視為工業(yè)應(yīng)用的可行選擇。
基于PC的快速原型和HIL地位確立
Eaton和Caterpillar等創(chuàng)新公司被PC系統(tǒng)的價(jià)格和可擴(kuò)展性所吸引。他們開(kāi)始測(cè)試，并發(fā)現(xiàn)PC系統(tǒng)可處理大部分快速原型和HIL工作。他們開(kāi)始采用基于PC的快速原型和HIL系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有的設(shè)備，而其每個(gè)系統(tǒng)的成本則低得多。他們的早期實(shí)驗(yàn)推動(dòng)兩家公司的嵌入式控制開(kāi)發(fā)工作更廣泛地利用上述工具。上述先導(dǎo)性工作有助于證明PC系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用上的功能。
例如，汽車(chē)傳動(dòng)裝置元件制造商Eaton設(shè)計(jì)了一種靈活的中型混合動(dòng)力卡車(chē)原型，包括用模型設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)的控制單元。由于混合傳動(dòng)裝置是原型，Eaton在實(shí)時(shí)PC控制的測(cè)工機(jī)上測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)。他們生成并執(zhí)行多種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案，路試之前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安全地檢測(cè)所有部件。Eaton在快速原型和HIL結(jié)合設(shè)置情況下測(cè)試了作為系統(tǒng)一部分的控制單元。
為了節(jié)約時(shí)間、成本，減少路試相關(guān)安全風(fēng)險(xiǎn)，Eaton還需開(kāi)發(fā)硬件在環(huán)模擬器。模擬器必須實(shí)時(shí)模擬中型卡車(chē)和重型卡車(chē)的整個(gè)傳動(dòng)裝置(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、主離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、輪胎和道路等)，還必須與檔位控制臺(tái)、變速箱控制器和其他汽車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行電子通訊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)注入和采集，并能用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。
就成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)、I/O硬件可用性、可維護(hù)性、特殊驅(qū)動(dòng)器要求和連接等評(píng)估各種選擇后，他們下結(jié)論認(rèn)為，使用基于PC的系統(tǒng)將提供最佳解決方案，可讓他們采用標(biāo)準(zhǔn)的ISA、PCI和PC/104 I/O硬件，從而大幅節(jié)約開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。這種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備還將提供最大的靈活性，實(shí)現(xiàn)特殊的驅(qū)動(dòng)器要求和連接功能，并方便維護(hù)。
快速原型
快速原型（rapid prototyping）這一術(shù)語(yǔ)對(duì)不同應(yīng)用的含義可能不同，它可用于生成三維固體對(duì)象，在量產(chǎn)前進(jìn)行部件研究，或用可編程的F P G A 方法測(cè)試定制ASIC 設(shè)計(jì)。本文將集中討論實(shí)時(shí)環(huán)境下如何用快速原型技術(shù)在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)代碼前檢測(cè)軟件控制算法，這對(duì)控制系統(tǒng)建模和仿真工程師而言是常見(jiàn)的應(yīng)用。
過(guò)去10 至15 年，經(jīng)過(guò)不斷改善的軟硬件系統(tǒng)為高級(jí)電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了快速原型和硬件在環(huán)仿真功能。因?yàn)樯鲜鲈O(shè)計(jì)系統(tǒng)在原型開(kāi)發(fā)速度上的優(yōu)勢(shì)，而且能夠加速設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，已經(jīng)被汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域中的公司所采用。高級(jí)控制算法可在最終硬件完成前進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。還可在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)檢測(cè)原型電子部件，這就減少了昂貴或破壞性的試飛、試駕需要。
過(guò)去幾年來(lái)，基于PC的原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為I/O設(shè)備提供的支持大幅增長(zhǎng)。簡(jiǎn)單的模擬輸入輸出、數(shù)字輸入輸出和計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器支持已經(jīng)擴(kuò)展為更高級(jí)的PWM支持、編碼器、LVDT/RVDT、同步分解器和其他高級(jí)的輸入輸出功能。隨著基于PC的硬件組件的推出，加上軟件驅(qū)動(dòng)程序支持，以及PC處理器性能的快速發(fā)展，這都使基于PC的原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上升到新的性能水平，與專用系統(tǒng)相當(dāng)，而成本則大大低于COTS元件。隨著性能和I/O功能的發(fā)展，許多汽車(chē)和航空公司都開(kāi)始在開(kāi)發(fā)工作中采用基于PC的快速原型和HIL系統(tǒng)。
在HIL模擬的高端領(lǐng)域，一家大型航空供應(yīng)商基于標(biāo)準(zhǔn)的Dell 3 GHz Pentium 4的臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了I/O數(shù)較高的出色系統(tǒng)，并用兩個(gè)PCI總線擴(kuò)展板擴(kuò)展。這種配置將CPU單元與I/O單元分開(kāi)，今后可隨更強(qiáng)大處理器的推出方便地替換CPU單元。該系統(tǒng)帶有28個(gè)PCI I/O板的擴(kuò)展空間，可提供288個(gè)16位D/A通道，并在第一個(gè)擴(kuò)展板上提供128個(gè)16位A/D通道。第二個(gè)底盤(pán)提供特殊的I/O，在四個(gè)IP載板上用16個(gè)閾值可編程DIO模塊提供384個(gè)數(shù)字IO通道。三個(gè)LVDT (線性可變差動(dòng)變壓器)板提供24個(gè)LVDT輸入和18個(gè)LVDT輸出，用于線性運(yùn)動(dòng)控制。這種HIL系統(tǒng)目前用于模擬大型新式商用客機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)境因素。
快速原型和HIL進(jìn)入新的產(chǎn)業(yè)
基于PC的快速原型和HIL系統(tǒng)成本低廉，這意味著其也可應(yīng)用于對(duì)成本更敏感的應(yīng)用。汽車(chē)和航空公司的工程師將基于模型的設(shè)計(jì)與快速原型、HIL相結(jié)合，使其應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備等其他產(chǎn)業(yè)。
2003至2004年間，基于PC的快速原型和HIL系統(tǒng)中整整三分之一用于汽車(chē)與航空之外的產(chǎn)業(yè)。除汽車(chē)與航空產(chǎn)業(yè)之外購(gòu)買(mǎi)有關(guān)系統(tǒng)的三大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?yàn)獒t(yī)療、工業(yè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備。
在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，有關(guān)公司在HIL建模應(yīng)用中使用該設(shè)備用于模擬各種身體機(jī)能。在這里，傳統(tǒng)的被控設(shè)備模型變成了人體各部分的模型。我們可開(kāi)發(fā)出模擬心臟機(jī)能的原型設(shè)備。我們還可用快速原型控制算法來(lái)開(kāi)發(fā)多種醫(yī)療設(shè)備硬件。某些設(shè)備使用機(jī)器人技術(shù)和觸覺(jué)系統(tǒng)，可用快速原型硬件在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并檢測(cè)。另一種醫(yī)療應(yīng)用則是采用具備模擬醫(yī)療條件的系統(tǒng)來(lái)輔助培訓(xùn)醫(yī)生。
Medrad開(kāi)發(fā)的血管注射泵幫助醫(yī)生快速檢查動(dòng)脈阻塞，反映單個(gè)血管的情況，并用心電圖或磁振成像技術(shù)來(lái)檢查跳動(dòng)心臟的健康。使用基于PC的原型工具，Medrad實(shí)現(xiàn)了血管注射泵液體流動(dòng)力學(xué)和人體血管系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真。這種實(shí)時(shí)仿真使Medrad能減少使用真正液體的測(cè)試數(shù)量（通常確認(rèn)泵控制器設(shè)計(jì)是否有效都要使用真正的液體）。
Gulf Coastal Group, Micro Systems Engineering公司使用基于模型的設(shè)計(jì)方法來(lái)加速可植入式醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)，如起搏器等。其設(shè)計(jì)工藝在建模和仿真階段采用基于模型的設(shè)計(jì)，隨后進(jìn)行算法的快速原型。他們采用廉價(jià)的原型開(kāi)發(fā)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)模擬功能，并以非常靈活的實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)研究硬件，進(jìn)行新的算法分析。
全球幾家計(jì)算機(jī)設(shè)備公司目前正采用快速原型技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，控制大型打印機(jī)和復(fù)印機(jī)。有關(guān)應(yīng)用包括針對(duì)打印機(jī)和復(fù)印機(jī)的機(jī)電特性進(jìn)行快速原型和HIL模擬，如紙張通過(guò)超大型打印機(jī)進(jìn)紙路線的運(yùn)動(dòng)等。
最后再舉一個(gè)創(chuàng)造性使用有關(guān)系統(tǒng)的例子。Whirlpool用快速原型系統(tǒng)建立新理念的原型，目前已得到近于投產(chǎn)的原型，并用于客戶檢測(cè)。在消費(fèi)者使用條件下做出洗衣機(jī)、干燥機(jī)和烤箱等設(shè)備的測(cè)試單元的原型。我們可快速調(diào)整操作以檢測(cè)新的設(shè)計(jì)和想法。這種基于PC的原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為Whirlpool開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)以及檢測(cè)控制算法和用戶界面提供了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)臺(tái)。
未來(lái)趨勢(shì)
基于PC的系統(tǒng)可就各種類型的產(chǎn)品幫助開(kāi)展建模、仿真和原型開(kāi)發(fā)的工作，在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)得到有效檢驗(yàn)，而且非常廉價(jià)。多種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的創(chuàng)新型公司都證明了上述軟硬件功能，有助于加速向市場(chǎng)推出先進(jìn)的產(chǎn)品。上述功能經(jīng)過(guò)全面細(xì)化調(diào)節(jié)，目前正進(jìn)入主流應(yīng)用。隨著越來(lái)越多的產(chǎn)品開(kāi)始包括嵌入式處理器及其相關(guān)軟件，上述工具的使用將有助于節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量以及添加新的產(chǎn)品功能。
（轉(zhuǎn)載）
