基于xPC系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺研究

賈秀娟 王鵬

摘? 要：該文以Mathwork公司設(shè)計的MATLAB/Simulink Real-Time軟件為實時仿真環(huán)境，以xPC雙機仿真系統(tǒng)作為實時仿真硬件開發(fā)平臺，提供了一種可以用于硬件在環(huán)仿真研究的平臺方案，該方案使用目標機實時內(nèi)核運行仿真模型，從而對外部控制系統(tǒng)中控制策略進行測試。同時，利用北京華?？萍脊狙兄频腞apid-ECU作為外部控制系統(tǒng)，對試驗平臺的實時數(shù)據(jù)交換功能進行了驗證，驗證結(jié)果表明，外部控制系統(tǒng)可以與目標機之間完成實時通信，且無數(shù)據(jù)丟失與延遲。該硬件在環(huán)仿真平臺為半實物仿真研究提供了思路。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)仿真? 控制策略? xPC雙機系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0017-02

硬件在環(huán)仿真是一種實時仿真方式，相對于計算機仿真而言，其保證了仿真過程實時性，更加符合實際試驗效果，同時易于實現(xiàn)，價格成本低，多用于企業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品V型開發(fā)，對此，該文提供了一種硬件在環(huán)仿真平臺方案。

1? xPC雙機系統(tǒng)

xPC實時仿真試驗平臺主要包括宿主機、目標機、通信連接設(shè)備以及外部控制系統(tǒng)4個部分。該文中的xPCTarget實時仿真系統(tǒng)中配備有兩臺普通PC機，分別作為宿主機與目標機。其中，宿主機內(nèi)部安裝MATLAB R2015b版本軟件，C語言編譯器為Visual Studio 2010;目標機使用Windows XP/DOS7.1雙系統(tǒng)，配置有空閑串口和型號為RTL8168以太網(wǎng)絡(luò)適配卡。目標機與宿主機通信方式選用網(wǎng)絡(luò)通信（TCP/IP）[1]，分別將目標機、宿主機IP地址設(shè)置為同一網(wǎng)段，通過交叉線型以太網(wǎng)電纜直接連接即可實現(xiàn)通信。

目標機需建立啟動盤調(diào)用目標機實時內(nèi)核。在XP系統(tǒng)中安裝DOS7.1版本系統(tǒng)，并將部分硬盤以FAT格式重新分區(qū)后直接作為啟動盤硬件。在MATLAB命令窗口輸入“xpcexplr”命令，啟動Real-Time窗口，并對目標機IP地址、子網(wǎng)掩碼等信息進行設(shè)置，設(shè)置完成后點擊“Creat boot disk”按鈕生成目標機啟動文件，將啟動文件復制至目標機啟動盤。開機后進入DOS系統(tǒng)，輸入“C：”命令切換至C盤符，并輸入“autoexec”目標機即可進入實時仿真運行界面。

2? 硬件在環(huán)仿真試驗平臺

設(shè)計硬件在環(huán)仿真試驗平臺如圖1所示[2]。測試時，將被測控制策略下載至外部控制系統(tǒng)硬件中，作為外部控制系統(tǒng)，通過xPC硬件在環(huán)試驗平臺完成仿真模型的實時運行、控制系統(tǒng)與仿真模型的實時數(shù)據(jù)通信以及控制系統(tǒng)控制結(jié)果驗證。

根據(jù)圖1所示原理，硬件在環(huán)仿真試驗平臺方案中，將Rapid-ECU作為外部控制系統(tǒng)，通過CAN-A總線與協(xié)議轉(zhuǎn)換器CAN端口相連，同時，將目標機主板串口與協(xié)議轉(zhuǎn)換器RS232端口連接，從而實現(xiàn)了目標機與Rapid-ECU之間的實時通信硬件連接;將控制系統(tǒng)CAN-C總線經(jīng)USB-CAN與宿主機連接，通過宿主機中Meca軟件可以對Rapid-ECU中實時狀態(tài)參量進行監(jiān)控與數(shù)據(jù)存儲。

3? 硬件在環(huán)仿真試驗平臺通信驗證

進行硬件在環(huán)試驗之前，需要對目標機及控制系統(tǒng)實時通信功能進行測試。由于Rapid-ECU硬件電路中未配置RS232串口通訊功能，所以試驗中通過宇泰UT-2506-RS232-CANBUS智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器將控制系統(tǒng)使用的CAN總線通信協(xié)議與PC主板串口的RS232通信協(xié)議相互轉(zhuǎn)換，從而使目標機與外部控制器完成數(shù)據(jù)通信。試驗中將協(xié)議轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)側(cè)CAN總線波特率設(shè)置為500kbps，RS232串口波特率設(shè)置為115200bps，轉(zhuǎn)換時CAN報文時自動添加ID“00 00 00 01”，設(shè)置過濾驗收碼，只轉(zhuǎn)換ID為“00 00 00 02”的CAN報文。

協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)置完成后，外部控制系統(tǒng)使用CAN總線協(xié)議進行通信，利用Rapid-ECU模型庫中的CAN Receive模塊與CAN Transimit模塊完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，設(shè)置CAN A總線的0、8Buffer接收和發(fā)送報文ID為“00 00 00 01”及“00 00 00 02”、數(shù)據(jù)長度為8的標準幀。

目標機應用模型中，通信模型使用Simulink Real-Time/RS232/Mainboard模型庫中RS-232 Send/Receive FIFO模塊，該模塊使用主板串行端口完成字符和二進制數(shù)據(jù)流發(fā)送和接收，由于其接收到的數(shù)據(jù)以FIFO數(shù)據(jù)塊形式傳播，無法直接被模型使用，需要配合FIFO Read BINARY模塊完成二進制數(shù)據(jù)的讀取，通過查找標記數(shù)據(jù)的唯一字節(jié)序列（Header）來標識和分離FIFO的數(shù)據(jù)塊，輸出十進制數(shù)據(jù)，搭建目標機RS232串口通信模型。

測試前，對RS-232 Send/Receive FIFO模塊進行設(shè)置，目標機上串口為COM1口，修改模塊內(nèi)基地址為0x3F8;FIFO Read BINARY設(shè)置模塊內(nèi)Header為“{（30，01）}”，每幀讀取數(shù)據(jù)長度為7位，1終止位，采樣時間為50ms。將串口通信模型中Solver設(shè)置為定步長50ms，在代碼生成一欄中選擇slrt.tlc文件，并將模型仿真模式選擇外部仿真模式。設(shè)置完成后，在SimulinkReal-Time窗口中點擊連接鈕與宿主機連接，在模型運行窗口點擊代碼生成，Simulink通過VS2010編譯器對模型進行C代碼轉(zhuǎn)換，同時將應用程序自動下載至目標機中。

硬件在環(huán)仿真試驗平臺中控制系統(tǒng)以及目標機通信功能建立完成后，利用CAN總線及RS232串口通信模型對硬件在環(huán)試驗平臺通信功能進行測試?？刂葡到y(tǒng)與目標機均能正確接收對方發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并且接收過程中無丟幀、延時現(xiàn)象。綜上所述，控制系統(tǒng)和目標機能夠進行實時的數(shù)據(jù)交換，形成完整的閉環(huán)通信，從而實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真試驗。

參考文獻

[1] 楊滌.系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應用[M].北京：清華大學出版社，2002：97-103.

[2] 張良.基于xPC Target的汽車ESP硬件在環(huán)仿真試驗臺的開發(fā)[D].吉林大學，2009.

[3] Bi YL，Yang D.Development of Interface Card Drivers Based on Matlab/xPC Target[J].Key Engineering Materials，2014（620）：563-568.