搭建基于labview的xPC目標實時仿真系統(tǒng)控制平臺

顏艷騰 ， 葉 周 ， 張 銳

（1.中國科學院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

xPC目標是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于RTW體系框架的附加產(chǎn)品，可將Intel80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，而且支持許多類型的I/O設(shè)備，用戶只需安裝相關(guān)的軟件、一個編譯器和I/O設(shè)備板，就可將一個PC兼容機作為實時系統(tǒng)，來實現(xiàn)控制系統(tǒng)或DSP系統(tǒng)的快速原型化、硬件在回路中的測試和配備實時系統(tǒng)的功能[1-2]。xPC目標通過以太網(wǎng)連接或串口線連接來實現(xiàn)宿主機和目標機之間的通信[3]。然而xPC目標機顯示界面單一，基本不能人為操作，大大降低了目標程序的可操作性。而labview作為圖形化編程語言，具有編程效率高界面友好直觀的特點[4]，LabVIEW能夠提供強大的外部接口能力，可以調(diào)用xPC目標的API實現(xiàn)對目標程序的操作，可以利用labview來編制宿主機的控制界面，具有一定的工程意義。

1 xPC目標機

xPC目標是一種用于產(chǎn)品原型開發(fā)，測試和配置實時系統(tǒng)的PC機解決途徑。xPC目標采用了宿主機-目標機的技術(shù)途徑，即“雙機”模式，宿主機和目標機可以是不同類型的計算機。其中，宿主機用于運行Simulink，而目標PC機則用于執(zhí)行所生成的代碼。xPC目標提供了一個高度減縮型的實時操作核，運行在目標PC機上，該實時核采用了32位保護模式。xPC目標通過以太網(wǎng)連接或串口線連接來實現(xiàn)宿主機和目標機之間的通信。顯示了快速原型化環(huán)境中xPC目標的使用情況。

圖1 雙機模式的xPC目標Fig.1 Dual mode of xPCtarget

xPC可實現(xiàn)在宿主機上設(shè)計、創(chuàng)建目標應用程序，然后在目標機上運行并測試目標應用程序。xPC目標的功能包括可對目標應用程序進行交互式的控制、獲取信號數(shù)據(jù)和實時地調(diào)整參數(shù)。

xPC目標實時仿真的基本步驟：

1）通過xPCTarget Explorer設(shè)置宿主機和目標機的通信機制，如通信協(xié)議設(shè)為TCP/IP，設(shè)置目標機的IP地址、子網(wǎng)掩碼、端口號等。

2）根據(jù)配置的xPC目標運行環(huán)境制作目標啟動盤，最為方便的是U盤啟動盤，引導成功后即可啟動xPC Target的實時內(nèi)核。

3）設(shè)置Simulink仿真模型的仿真參數(shù)，其中必須設(shè)置的是Solver options為固定步長，在Real-Time Workshop中系統(tǒng)目標文件為xpctarget.tlc。編譯模型，得到后綴名為.dlm的已編譯文件。

4）啟動連接xPC目標，下載執(zhí)行應用程序。在宿主機使用xPCTarget Explorer或調(diào)用xPCTarget API函數(shù)連接目標機，下載已編譯的.dlm文件，啟動應用程序，即可實現(xiàn)宿主機對目標機的控制與遙測，如設(shè)置模塊參數(shù)和讀取輸出信號等。

2 labview與xPC目標接口設(shè)計

2.1 xPC目標API函數(shù)分析

2.1.1 API函數(shù)介紹

xPC目標為用戶創(chuàng)建自己的宿主機圖形界面程序提供了一組API函數(shù)，這組API函數(shù)包括：處理宿主機/目標機通信的函數(shù)；目標機程序管理函數(shù)；數(shù)據(jù)記錄函數(shù)；示波器管理函數(shù)；信號監(jiān)視和參數(shù)調(diào)整函數(shù)；錯誤處理和其他用途函數(shù)。xPC目標的API函數(shù)以兩種方式提供給用戶，動態(tài)鏈接庫（dynamic link library，DLL），對象組件模塊（component object model，COM）[5]。任何一種方式都可以用于創(chuàng)建控制目標機實時程序的用戶界面。

根據(jù)xPC外部接口程序調(diào)用流程可做如下歸類分析：

1）建立宿主機和目標機的通信連接。我們采用TCP/IP協(xié)議進行通信，通信函數(shù)為：int xPCOpenTcpIpPort（const char*ipAddress，const char*ipPort）；注意函數(shù)返回一個正整數(shù)值，稱為port，若port值為非負整數(shù)，則表明宿主機與目標機連接成功，并且作為連接句柄，后面的API函數(shù)都要用到該port值作為傳入?yún)?shù)；若port值為-1，則表明連接失敗。

2）下載目標應用程序到目標機上。函數(shù)為：void xPCLoadApp（int port， const char*pathstr， const char*filename）。

3）啟動目標機上的目標應用程序。函數(shù)為：void xPCS tartApp（int port）。

4）監(jiān)控并記錄目標應用程序在目標機上的運行情況。這里包括設(shè)置目標應用程序運行參數(shù)，監(jiān)測目標應用程序中信號，使用文件系統(tǒng)函數(shù)保存記錄數(shù)據(jù)等一系列函數(shù)。

2.1.2 設(shè)置目標機上應用程序參數(shù)

xPC目標為目標應用程序中每個可調(diào)的參數(shù)分配唯一的ID值，可以根據(jù)Simulink模型中參數(shù)所在的模塊名以及參數(shù)名獲取該參數(shù)在目標應用程序中分配的ID值。獲取指定參數(shù) ID 值的函數(shù)為：int xPCGetParamIdx （int port，const char*blockName，const char*paramName）。得到參數(shù)的ID值后就可以調(diào)用函數(shù) void xPCSetParam（int port， int paramIdx， const double*paramValue）完成目標應用程序參數(shù)的設(shè)置。

2.1.3 監(jiān)測目標機上應用程序中的信號

信號在Simulink模型中主要體現(xiàn)在輸出上，獲取目標機上目標應用程序信號的方法和調(diào)整參數(shù)類似，也需要獲得目標應用程序中指定信號的唯一ID值，調(diào)用的函數(shù)為int xPCGetSignalIdx（int port， const char*sigName）。 讀取單個信號值的函數(shù)為 double xPCGetSignal （int port， int sigNum），值得一提的是，信號可以批量獲取，對應函數(shù)為int xPCGetSignals（int port， int numSignals， const int*signals， double*values），此時應該傳入信號集ID的數(shù)組。

2.2 labview調(diào)用xPC目標API函數(shù)

2.2.1 創(chuàng)建初始化DLL動態(tài)鏈接庫

xPC目標API是以DLL文件的形式提供的，所有的API函數(shù)都封裝在xpcapi.dll中，因此在調(diào)用API函數(shù)之前必須正確加載xpcapi.dll。xPC目標提供了在C程序中加載xpcapi.dll的C代碼源程序xpcinitfree.c，在該源程序中定義了初始化函數(shù)int xPCInitAPI（void）用于顯示加載 xPC目標 API DLL。程序在設(shè)計時需在初始化階段調(diào)用該函數(shù)加載DLL，結(jié)束時則需要釋放DLL，同樣在xpcinitfree.c中提供了釋放DLL的函數(shù) int xPCFreeAPI（void）。

Matlab只提供了用于初始化加載和釋放xPC目標API DLL的C語言接口頭文件xpcapi.h和C源代碼xpcinitfree.c，并沒有提供可供LabVIEW直接調(diào)用的DLL文件，因此我們首先需要利用現(xiàn)有資源編寫生成能夠?qū)崿F(xiàn)初始化加載和釋放xPC目標API DLL的DLL文件xPCInitFree.dll。本文在Visual C++6.0環(huán)境下建立支持xPC目標API調(diào)用初始化與資源釋放的動態(tài)鏈接庫。使用Visual C++6.0創(chuàng)建DLL的一般步驟為：新建一個MFC AppWizard（dll）工程，定義外部接口，編寫外部接口函數(shù)的實現(xiàn)。參考在源文件xpcinitfree.c中分別用于實現(xiàn)xpcapi.dll的加載和卸載函數(shù)int xPCInitAPI（void）和 void xPCFreeAPI（void），定義 2 個主要的動態(tài)鏈接庫接口xPCInitAPI和xPCFreeAPI。執(zhí)行加載操作的同時初始化xPC目標API定義的的常量，映射xPC目標API與C程序之間的數(shù)據(jù)類型，定義API中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；執(zhí)行卸載操作時恢復xPC目標API使用的常量的初始值，并注銷所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型。

2.2.2 啟動xPC目標

在使用xPC目標前，需要啟動xPC目標，一般通過USB啟動[6]，在 Matlab命令行中鍵入 xpcexplr進入 xPC Target Explorer進行配置，如通信、多核支持等，生成DOS啟動鏡像，通過DOS啟動盤進行引導啟動。

圖示采用TCP/IP通信協(xié)議，IP地址和端口即為xPC目標啟動的IP地址和端口。

3 利用labview創(chuàng)建宿主機控制界面

下面我們依照xPC調(diào)用API流程來設(shè)計labview程序。首先鏈接xPC目標，此時我們需要知道xPC目標機的IP及端口值（可以在制作xPC目標機啟動盤時設(shè)置）。

圖2 配置xPC目標Fig.2 Configuration of xPCtarget

圖3 xPC目標運行界面Fig.3 xPCtarget running interface

在labview面板找到調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點，查找路徑互連接口→庫與可執(zhí)行程序→調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點。設(shè)計連接xPC目標機的labview程序，如圖4所示。

圖4 連接xPC目標Fig.4 Connect the xPCtarget

依次設(shè)計下載目標應用程序、啟動目標應用程序、卸載目標應用程序、關(guān)閉xPC目標連接、釋放資源的基本流程實現(xiàn)LabVIEW調(diào)用xPC目標API函數(shù)，并將各個流程模塊打包設(shè)計成子vi，完整labview程序設(shè)計如圖5所示。

此時便設(shè)計完成了一個基于labview的宿主機控制平臺。經(jīng)過實驗測試，完全可以實現(xiàn)來控制xPC目標程序的鏈接、下載、運行、信號監(jiān)測等一些列功能，并且可以在此基礎(chǔ)上通過調(diào)用不同API函數(shù)來實現(xiàn)對xPC目標程序更多的控制。

軟件的基本運行流程為：

1）配置目標機IP地址和端口，連接網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)xPC目標機的IP地址及其端口，可以執(zhí)行連接網(wǎng)絡(luò)和斷開網(wǎng)絡(luò)的操作。首先確保上位機和下位機網(wǎng)絡(luò)接口的連接，并設(shè)置上位機IP地址和xPC目標IP地址在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，然后才能進行TCP/IP連接操作。后面涉及xPC目標的所有操作必須建立在宿主機和目標機的連接基礎(chǔ)上。

圖5 基于labview的宿主機控制程序Fig.5 Labview-based host control program

2）選擇待下載應用程序（.dlm），下載程序

Simulink實時框架模型通過C編譯會生成后綴名為dlm的編譯文件，目標機連接成功后，可選擇待下載的已編譯程序，執(zhí)行下載程序、運行程序、停止程序和卸載程序操作。

3）設(shè)置參數(shù)并運行程序

設(shè)置參數(shù)和獲取信號是xPC目標API提供的核心功能，調(diào)用相應的API函數(shù)，我們只需要傳入?yún)?shù)模塊在Simulink程序模型中的路徑和參數(shù)值?？梢栽谲浖性O(shè)置路徑常量，也可以通過UI輸入路徑。

4）數(shù)據(jù)遙測

數(shù)據(jù)遙測的方式包括讀取信號和示波器控制。獲取信號也是需要傳入?yún)?shù)模塊在Simulink程序模型中的路徑，遙測的數(shù)據(jù)可以通過文本和數(shù)據(jù)圖表實時顯示。示波器控制可為xPC目標添加目標示波器觀察信號，基本步驟為添加示波器、

添加新號和啟用示波器。

5）卸載程序并斷開網(wǎng)絡(luò)

在程序運行結(jié)束后，可以選擇卸載程序和斷開網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的便攜式測試計算機為硬件平臺，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想本文介紹了xPC目標的雙機模式，以及模型仿真的具體步驟。詳細分析了xPC目標API函數(shù)的結(jié)構(gòu)與用途，研究了labview與xPC的接口問題，實現(xiàn)了通過labview調(diào)用xPC目標API函數(shù)的目的，并基于labview[7]設(shè)計某模型的xPC目標程序的控制軟件，實現(xiàn)了宿主機對目標機的遠程控制。這樣也彌補了xPC目標界面單一操作不友好的問題，可以充分有效的發(fā)揮xPC目標實時仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢。

[1]吳劍，孫秀霞.采用MATLAB中的xPCTarget對硬件進行操作[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002（4）：59-60.WU Jian，SUN Xiu-xia.Hardware practised with matlab of xPCtarget[J].Modern Electronics Technique，2002（4）:59-60.

[2]張江濱，姚輝，楊曉萍.構(gòu)建基于XPC目標的實時仿真測試系統(tǒng)[J].水利水電技術(shù)，2005，36（1）70-72.ZHANG Jiang-bing，YAO Hui，YANG Xiao-Ping.A real-time simulation testing systembased on XPC target[J].Water Resources And Hydropower Engineering，2005，36（1）70-72.

[3]王超，王仕成，劉志國.基于Matlab/xPC Target的實時仿真系統(tǒng)研究[J].控制工程，2007（7）：165-167.WANG Chao，WANG Shi-cheng，LIU Zhi-guo.Research on beal time simulation system based on matlab/xPC target[J].Control Engineering of China，2007（7）:165-167.

[4]侯國屏，王坤，葉齊鑫，等.labview7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京：清華學出版社，2005.

[5]朱野，王旭永，陶劍峰，等.實時控制系統(tǒng)平臺xPC與labview接口分析及應用[J].上海交通大學學報，2008，42（2）:266-269.ZHU Ye，WANGXu-yong，TAO Jian-feng，et al.Analysis and utilization of interface between xPC target and LabVIEW[J].Journalof ShangHaiJiaoTongUniversity，2008，42（2）:266-269.

[6]江紹明，畢效輝.采用U盤制作xPC目標啟動盤[J].自動化與儀表，2008（6）:53-56.JIANG Shao-ming，BI Xiao-Hui.Creation of an xPC target boot based on USB flash disk[J].Process Automation Instrumentation，2008（6）:53-56.

[7]姚麗，劉東東.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2012（5）:79-81.YAO Li，LIU Dong-dong.Design of the data acquisition and signal processing system based on LabVIEW[J].Electronic Science and Technology，2012（5）:79-81.