綜合航電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試技術(shù)研究

楊 號(hào)，吳利華

(海裝西安局，陜西 西安 710089)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在綜合航電系統(tǒng)中的應(yīng)用，各新型飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試的任務(wù)就擺在我們面前。而現(xiàn)有航電系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)落后，試驗(yàn)室除了一些常規(guī)的通用測(cè)試儀器外，專(zhuān)用設(shè)備均為早期自研設(shè)備，功能單一，不可擴(kuò)展，不可再開(kāi)發(fā)，僅能滿足某型機(jī)某分系統(tǒng)獨(dú)立測(cè)試的環(huán)境，不能滿足系統(tǒng)綜合測(cè)試、安全模式、控制模式、高精度時(shí)間測(cè)試要求，這些設(shè)備除了能滿足定型的系統(tǒng)測(cè)試和單項(xiàng)的設(shè)計(jì)仿真功能外，對(duì)一些新技術(shù)的驗(yàn)證、閉環(huán)系統(tǒng)驗(yàn)證、高精度的時(shí)間測(cè)量、快速故障定位和異常模式的測(cè)試驗(yàn)證等幾乎無(wú)能為力。

2 綜合航電仿真系統(tǒng)的原理和功能

綜合航電仿真系統(tǒng)可以生成系統(tǒng)工作過(guò)程中所需的各種輸入?yún)?shù)，并對(duì)綜合航電系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，以便對(duì)綜合航電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，不斷提高綜合航電系統(tǒng)的性能。綜合航電系統(tǒng)的研制離不開(kāi)實(shí)時(shí)仿真，它不僅可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題，而且縮短了研制周期和試飛時(shí)間，節(jié)省了費(fèi)用。

綜合航電實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)備提供仿真模型的運(yùn)行環(huán)境，產(chǎn)生計(jì)算機(jī)的各種輸入輸出信號(hào)，用于系統(tǒng)物理接口仿真控制。其配套軟件在系統(tǒng)仿真終端上實(shí)時(shí)地按照控制算法輸出信號(hào)，提供給被仿真或測(cè)試的系統(tǒng)，模擬整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)物理接口實(shí)際輸入信號(hào)[1]。硬件設(shè)備同時(shí)采集被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際控制輸出信號(hào)，并將這些作用于內(nèi)部的系統(tǒng)模型，通過(guò)模型的響應(yīng)后送到測(cè)試系統(tǒng)形成閉環(huán)。系統(tǒng)的建立可為綜合航電系統(tǒng)地面測(cè)試提供優(yōu)越的物理平臺(tái)。

3 總體方案

綜合航電實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)采用了“基于硬件仿真的回路設(shè)計(jì)”(Design by Simulation with Hardware -In -the -Loop)與基于RT-LAB的實(shí)時(shí)分布式仿真測(cè)試技術(shù)，系統(tǒng)具有良好的可修改性﹑可擴(kuò)充性和可移植性。系統(tǒng)采用分布式部署，每個(gè)目標(biāo)機(jī)(子系統(tǒng))可以單獨(dú)的運(yùn)行，用于系統(tǒng)中的相對(duì)獨(dú)立的單立子系統(tǒng)，如慣導(dǎo)，大氣機(jī)，高度表等的仿真與測(cè)試。通過(guò)目標(biāo)機(jī)上內(nèi)嵌的IEEE-1394端口，多個(gè)目標(biāo)機(jī)可以聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)合仿真和綜合試驗(yàn)[2]，如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)功能

綜合航電實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以生成系統(tǒng)工作過(guò)程中所需的各種輸入?yún)?shù)，并可對(duì)綜合航電系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，以便對(duì)綜合航電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，不斷提高綜合航電系統(tǒng)的性能。其主要功能有：

圖1 綜合航電實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)連接圖

(1)實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和仿真所需要的各種必須的仿真環(huán)境；

(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到實(shí)時(shí)代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和分布式實(shí)時(shí)仿真；支持閉環(huán)試驗(yàn)所需要的相關(guān)激勵(lì)信號(hào)；

(3)具有航電分系統(tǒng)的仿真器和完整的硬件I/O接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與航電分系統(tǒng)真實(shí)設(shè)備之間的功能替換，從而完成硬件在環(huán)的半實(shí)物仿真；

(4)支持系統(tǒng)仿真的可視化；

(5)具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試、記錄、分析功能，完成綜合航電系統(tǒng)的試驗(yàn)與故障分析。

3.2 系統(tǒng)功能組成

3.2.1 RT-LAB實(shí)時(shí)分布式仿真測(cè)試平臺(tái)

RT-LAB是一套工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)?？梢栽跁r(shí)間短、花費(fèi)低的情況下，通過(guò)工程仿真建立動(dòng)態(tài)模型，以應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真，控制，測(cè)試以及其它相關(guān)領(lǐng)域，其顯著特點(diǎn)是模型的分布式實(shí)時(shí)運(yùn)行。復(fù)雜的模型可以劃分為多個(gè)模塊，分布到多臺(tái)目標(biāo)機(jī)上并行運(yùn)算，以得到需要的運(yùn)算能力，從而確保模型在多個(gè)目標(biāo)機(jī)上分布式并行運(yùn)算時(shí)的性能和穩(wěn)定性[3]。

3.2.1.1 RT-LAB仿真主機(jī)平臺(tái)。RT-LAB仿真主機(jī)是運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC，它的主要作用如下：

(1)利用RT-LAB主機(jī)軟件MainControl , 通過(guò)TCP/IP實(shí)現(xiàn)模型仿真的控制；

(2)人機(jī)界面：簡(jiǎn)潔易用的圖形用戶(hù)界面，以實(shí)現(xiàn)虛擬儀表風(fēng)格的圖形用戶(hù)界面；

(3)模型參數(shù)調(diào)整：可以實(shí)現(xiàn)模型中的各項(xiàng)參數(shù)的在線調(diào)整，而不需要中斷模型仿真運(yùn)行；

(4)支持包括CarSim / TruckSim，GT-Power等第三方專(zhuān)業(yè)建模工具的模型；

(5)實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控功能；

(6)動(dòng)態(tài)信號(hào)跟蹤：運(yùn)行時(shí)可以選擇監(jiān)控任意信號(hào)；

(7)在線參數(shù)編輯器：可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)整定模型參數(shù)。

3.2.1.2 RT-LAB目標(biāo)機(jī)平臺(tái)。RT-LAB目標(biāo)機(jī)是模型實(shí)時(shí)運(yùn)行的平臺(tái)。在主機(jī)上開(kāi)發(fā)好的Simulink模型經(jīng)過(guò)編譯以后通過(guò)RT-LAB主機(jī)的MainControl 軟件下載到仿真目標(biāo)機(jī)上，并且控制模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行，停止或者在線調(diào)參等操作[4]。其特點(diǎn)如下：

(1)基于X86的硬件平臺(tái)，運(yùn)行QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；

(2)支持模型在多個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)上并行運(yùn)行；

(3)強(qiáng)實(shí)時(shí)性，最短仿真步長(zhǎng)可以達(dá)到10us級(jí)以下；

(4)通過(guò)目標(biāo)機(jī)內(nèi)的I/O或數(shù)據(jù)通訊卡與外部設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真。

3.2.1.3 監(jiān)控軟件與仿真系統(tǒng)的集成。為了實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控軟件與半物理仿真的集成，采用NI的LabVIEW作為上層監(jiān)控軟件。RT-LAB提供了LabVIEW軟件環(huán)境下的API，以各種子vi模塊的形式集成在LabVIEW 的Diagram Editor庫(kù)中。結(jié)合LabVIEW前端界面豐富的虛擬儀器風(fēng)格的顯示和操縱控件，和RT-LAB的功能強(qiáng)大的API，可以定制創(chuàng)建美觀方便的圖形監(jiān)控界面程序。

3.2.1.4 仿真建模工具配置。系統(tǒng)仿真軟件采用Matlab/Simulink 。系統(tǒng)配置主要包括：模型的設(shè)計(jì)仿真模塊Simulink、模型代碼生成模塊Real-Time Workshop、設(shè)計(jì)和仿真事件驅(qū)動(dòng)模塊Stateflow、從狀態(tài)圖中生成代碼模塊Stateflow Coder。

Simulink是用來(lái)建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，包括連續(xù)系統(tǒng)，離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。通過(guò)Simulink提供的豐富的功能塊，可以迅速地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。Stateflow是用于事件驅(qū)動(dòng)型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析的交互式仿真設(shè)計(jì)工具[5]。Real-Time Workshop(RTW)從Simulink模型生成優(yōu)化的、可移植的、可定制的ANSI C 代碼，利用它可以針對(duì)某種目標(biāo)機(jī)來(lái)創(chuàng)建整個(gè)系統(tǒng)或是部分子系統(tǒng)的可下載執(zhí)行的C代碼，以開(kāi)展快速原型或硬件在回路仿真。Stateflow Coder可把Stateflow Charts生成整型，浮點(diǎn)型或者定點(diǎn)C代碼。Stateflow Coder和Real-Time Workshop結(jié)合使用生成Simulink和Stateflow模型代碼。用戶(hù)可以把生成的代碼作為非實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)應(yīng)用程序使用，包括加速仿真，快速原型和硬件在回路仿真測(cè)試。用戶(hù)也可交互式調(diào)整和檢測(cè)代碼，或和MATLAB，Simulink環(huán)境以外的代碼相結(jié)合交互運(yùn)行。

3.2.1.5 軟件配置。RT-LAB仿真系統(tǒng)上的軟件包括：

(1)Windows XP 操作系統(tǒng)；

(2)MatLab / SIMULINK / Real-Time Workshop用于仿真模型開(kāi)發(fā)，運(yùn)行于仿真目標(biāo)機(jī)；

(3)RT-LAB主機(jī)軟件：用于仿真應(yīng)用集成開(kāi)發(fā)，仿真控制與系統(tǒng)管理；

(4)RT-LAB目標(biāo)機(jī)軟件： 用于模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行；

(5)VC/C++ 6.0，通過(guò)RT-LAB API，實(shí)現(xiàn)RT-LAB在應(yīng)用程序上的功能擴(kuò)展，主要運(yùn)行于仿真目標(biāo)機(jī)、總線測(cè)試計(jì)算機(jī)的接口功能實(shí)現(xiàn)和管理；

(6)LabVIEW，通過(guò)調(diào)用RT-LAB基于LabVIEW的vi，可以實(shí)現(xiàn)RT-LAB 虛擬儀表面板，主要運(yùn)行于終端顯示計(jì)算機(jī)。

3.2.1.6 硬件配置。RT-LAB仿真器的運(yùn)行基于主機(jī)-目標(biāo)機(jī)的運(yùn)行模式。主機(jī)與目標(biāo)機(jī)(單臺(tái)或者多臺(tái))之間通過(guò)TCP/IP連接，多臺(tái)目標(biāo)機(jī)之間通過(guò)IEEE-1993連接。

以?xún)膳_(tái)主機(jī)和四臺(tái)目標(biāo)機(jī)為例，可以同時(shí)進(jìn)行模型的開(kāi)發(fā)與實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控，在運(yùn)行中，也可以一臺(tái)主機(jī)進(jìn)行仿真管理，另外一臺(tái)主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。每個(gè)目標(biāo)機(jī)可以單獨(dú)的部署，用于系統(tǒng)中的相對(duì)獨(dú)立的單立子系統(tǒng)，如飛機(jī)飛行方程，慣導(dǎo)等航電分系統(tǒng)的仿真和驗(yàn)證。通過(guò)內(nèi)嵌的IEEE-1394端口，多個(gè)RT-LAB目標(biāo)機(jī)可以聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行完整系統(tǒng)的綜合仿真和測(cè)試。

3.2.2 飛行仿真器

在基于硬件在回路仿真的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先需要一個(gè)飛機(jī)飛行仿真器模型及其航電各子系統(tǒng)的仿真模型。為簡(jiǎn)化工程師的建模工作，Opal-RT特地推出了RT-LABTMAeroLib飛機(jī)飛行方程模型，利用這個(gè)模塊，工程師可以很容易的建立起自己的飛行器數(shù)學(xué)模型[6]。結(jié)合RT-LAB實(shí)時(shí)系統(tǒng)，飛行器的數(shù)學(xué)模型可以自動(dòng)的轉(zhuǎn)化為能夠在實(shí)時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的代碼，從而可以與航電子系統(tǒng)進(jìn)行硬件在回路的半實(shí)物仿真試驗(yàn)。飛行環(huán)境仿真的核心模塊是以專(zhuān)業(yè)的飛行仿真軟件RT-LAB AeroLib為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)完成，以六自由度的氣動(dòng)力方程為核心，輔助必要的支持系統(tǒng)來(lái)完成飛機(jī)的起飛、著陸、巡航和自由飛行等多方面的仿真，并對(duì)飛機(jī)的部分外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬(包括對(duì)風(fēng)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，慣性參考單元，高度表，迎角傳感器，ILS等等), 向綜合航電系統(tǒng)的有關(guān)分系統(tǒng)提供所需的環(huán)境參數(shù)。

3.3 測(cè)試服務(wù)器

測(cè)試服務(wù)器是控制和調(diào)度整個(gè)航電分系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程的計(jì)算機(jī)軟硬件和接口。測(cè)試服務(wù)器按照功能分為測(cè)試主機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、顯示終端。測(cè)試主機(jī)是承擔(dān)測(cè)試自動(dòng)化，序列測(cè)試和測(cè)試報(bào)告生成的計(jì)算機(jī)。測(cè)試主機(jī)運(yùn)行Windows 操作系統(tǒng)，可以與RT-LAB仿真系統(tǒng)主機(jī)是同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。測(cè)試主機(jī)上的測(cè)試管理軟件是RT-LAB 軟件附帶的綜合測(cè)試環(huán)境軟件包TestManager。 TestManager 是一個(gè)現(xiàn)成即用的、完全可自定義的圖形化測(cè)試執(zhí)行管理環(huán)境，能夠與NI 的TestStand 接口，用戶(hù)可以根據(jù)自己的特定需要，對(duì)TestManager 進(jìn)行修改和完善，組織、控制和執(zhí)行預(yù)先編寫(xiě)的各種測(cè)試腳本。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件通過(guò)ODBC 與TestStand 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。所有的測(cè)試腳本，測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)試報(bào)告都可以通過(guò)統(tǒng)一的ODBC 接口存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)系統(tǒng)按照編排好的測(cè)試流程逐項(xiàng)測(cè)試。測(cè)試服務(wù)器完成測(cè)試流程規(guī)劃、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法和步驟、測(cè)試評(píng)估、測(cè)試結(jié)論的處理。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合航電實(shí)時(shí)仿真測(cè)試技術(shù)不僅可以成功應(yīng)用到各機(jī)型的綜合航電系統(tǒng)地面、機(jī)上試驗(yàn)過(guò)程中，而且可應(yīng)用到電傳飛控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)機(jī)上、地面試驗(yàn)等大型集成試驗(yàn)中，其測(cè)試自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)可再開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)，可兼顧多機(jī)型多系統(tǒng)的非同時(shí)試驗(yàn)，是機(jī)上在線測(cè)試系統(tǒng)可參考的測(cè)試模型。

[1] 于勁松，李行善.下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13(1)：1-4.

[2] 劉君華.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003:22-23.

[3] 李行善，左毅.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)集成[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004:105-107.

[4] 劉暢，劉斌.嵌入式軟件仿真測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)處理研究[J].北京計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004，19(7)：15-17.

[5] 陳光禹. VXI總線測(cè)試平臺(tái)技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1996:79-81.

[6] 劉興堂，吳曉燕.現(xiàn)代系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社.2001:122-124.