基于PXI的實時仿真測試系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)研究

摘 要：首先對基于PXI總線控制器的實時系統(tǒng)的構(gòu)建方法進行分析，在此基礎(chǔ)上研究了系統(tǒng)平臺構(gòu)建、應用程序開發(fā)等，最后通過工程實例-衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)的開發(fā)對上述方法的可行性和有效性進行了實驗驗證。結(jié)果表明仿真系統(tǒng)具有定時精度高、開發(fā)周期短、系統(tǒng)升級方便等特點，同時還能實現(xiàn)從數(shù)學仿真到半物理/物理仿真的無縫升級，可廣泛應用于航空航天等眾多領(lǐng)域的仿真系統(tǒng)開發(fā)。

關(guān)鍵詞：PXI總線，LabView Real-Time（LRT）實時模塊，實時系統(tǒng)，仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

1 引言

在航天器等大型電子設(shè)備的開發(fā)和研制過程中，各類仿真系統(tǒng)（如數(shù)學仿真系統(tǒng)、半物理/物理仿真系統(tǒng)等）是必不可少的重要輔助工具。它們主要用來對軟件代碼、電氣接口、通信協(xié)議等進行仿真和測試，以便及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并加以改進，提高整個系統(tǒng)的可靠性。

目前各種數(shù)學仿真系統(tǒng)和半物理/物理仿真系統(tǒng)通常是相對獨立地進行開發(fā)[1]。根據(jù)研制任務(wù)的需要，通常首先是基于各種簡單的平臺快速完成數(shù)學仿真系統(tǒng)的構(gòu)建和開發(fā)，實現(xiàn)對軟件算法的仿真和測試[2]，然后再進行半物理/物理仿真系統(tǒng)的研制，以完成電氣接口、各部件間通信協(xié)議等內(nèi)容的仿真和測試[3，4，5]。這種相對獨立的開發(fā)方式導致了整個仿真系統(tǒng)開發(fā)成本較高、研制周期較長、仿真系統(tǒng)間技術(shù)繼承性較差，越來越難以滿足航空航天等領(lǐng)域的快速研制需求。

為此，本文將對基于PXI總線技術(shù)的仿真系統(tǒng)構(gòu)建方法進行系統(tǒng)研究，解決從數(shù)學仿真到半物理/物理仿真系統(tǒng)開發(fā)的繼承性問題，以提高仿真系統(tǒng)的開發(fā)效率，減少研制費用，特別是縮短研制周期，為各類電子設(shè)備的快速研制提供重要保障。

2 基于PXI總線技術(shù)的實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 數(shù)學仿真系統(tǒng)構(gòu)建

基于PXI總線技術(shù)的基本測試平臺通常由一臺PXI總線機箱、一塊PXI總線控制器及多塊接口模塊和儀器模塊構(gòu)成。其中機箱用于安裝總線控制器及各種接口模塊和儀器模塊；總線控制器即為一臺計算機系統(tǒng)，用于對該機箱內(nèi)的各接口模塊和儀器模塊進行控制，完成各種測試功能；接口模塊主要用來和外界對應的接口系統(tǒng)進行通信；儀器模塊主要用來完成相應的儀器處理功能。對于大型復雜測試系統(tǒng)則可由多套基本測試平臺共同構(gòu)建。

對于數(shù)學仿真系統(tǒng)而言，其硬件平臺基本需求為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（計算機系統(tǒng)）及相應的通信接口，用于軟件代碼的運行和數(shù)據(jù)傳送。PXI總線控制器即為一臺計算機系統(tǒng)，可以運行相關(guān)操作系統(tǒng)，如Windows、LRT實時模塊等，同時它還可以通過其主機箱上的各種接口模塊和其他系統(tǒng)進行接口通信，以實現(xiàn)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和指令通信。因此，基于PXI總線測試系統(tǒng)便可構(gòu)建各類數(shù)學仿真系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于PXI總線技術(shù)的數(shù)學仿真系統(tǒng)具有硬件平臺構(gòu)建方便、通信接口模塊眾多、程序開發(fā)效率高、系統(tǒng)繼承性好等特點。

2.2 半物理/物理仿真系統(tǒng)構(gòu)建

基于PXI總線技術(shù)，還可以構(gòu)建各種半物理/物理仿真系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。對于各類半物理/物理仿真系統(tǒng)而言，需要接入各部件的原型樣機、電性件、電模擬器等，以完成對電氣接口、通信協(xié)議等的仿真和測試。基于PXI總線技術(shù)的硬件平臺可以通過各種通信接口方便的接入各部件的原型樣機、電性件及電模擬器，完成半物理/物理仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。基于PXI總線技術(shù)的半物理/物理仿真系統(tǒng)具有硬件平臺構(gòu)建方便、程序開發(fā)效率高、修改升級方便、測試功能強大等特點。

2.3 基于PXI的仿真系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)分析

對于仿真系統(tǒng)而言，其控制器的操作系統(tǒng)實時性是一項關(guān)鍵內(nèi)容。因為操作系統(tǒng)的實時性決定了整個仿真系統(tǒng)的實時性，最終決定了該系統(tǒng)能否有效的進行仿真應用。通常，反映仿真系統(tǒng)實時性優(yōu)劣的主要技術(shù)指標是控制器操作系統(tǒng)的定時精度，即操作系統(tǒng)能夠控制的最小時間單位，如Windows操作系統(tǒng)的定時精度為1ms-5ms左右，定時精度較差。它只能滿足一般的仿真應用，對于實時性要求較高的場合則難以適用。因此，為了保證基于PXI總線技術(shù)的仿真系統(tǒng)具有較廣泛的實用性，必須解決PXI總線控制器的操作系統(tǒng)的實時性問題，以保證其定時精度滿足通常應用之需。

PXI總線控制器本質(zhì)上即為一臺計算機系統(tǒng)，它能夠運行Windows操作系統(tǒng)，也可以運行LRT實時軟件模塊。其中Windows操作系統(tǒng)的定時精度為1ms-5ms，而LRT實時軟件模塊的定時精度為1us，能夠滿足通常的仿真應用。

下面將對基于PXI總線控制器的LRT實時系統(tǒng)構(gòu)建方法進行系統(tǒng)分析，以便為基于PXI總線技術(shù)的實時仿真系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3 基于PXI的LRT實時系統(tǒng)平臺構(gòu)建

PXI總線控制器常規(guī)配置的操作系統(tǒng)為Windows，可滿足大多數(shù)測試系統(tǒng)開發(fā)需要。但它也支持LRT實時模塊的安裝，以提高控制器的實時性和定時精度。為了便于LRT實時軟件模塊的安裝，其BIOS內(nèi)置有相應的LRT安裝引導程序。

通常，將通過網(wǎng)線和PXI總線控制器相連接的基于Windows的PC機稱為其上位機，同時將該PXI總線控制器稱為目標機。在對PXI總線控制器進行LRT實時模塊安裝之前，需要在其上位機上安裝相關(guān)應用軟件，主要包括Max、LabView、PXI硬件模塊驅(qū)動程序、ETS軟件模塊等，以便于LRT實時模塊的安裝。安裝過程說明如下。

3.1 安裝準備—C盤格式化

通常可以通過兩種方式對C盤進行格式化處理，一種是通過軟驅(qū)對C盤進行格式化，將PXI總線控制器的BIOS設(shè)置成Use HardWare Switch/設(shè)置啟動順序（軟驅(qū)啟動優(yōu)先）即可；另一種是通過上位機中的Max對C盤進行格式化，將PXI總線控制器的BIOS設(shè)置成LRT Safe Mode模式，然后在上位機的Max中右鍵點擊0.0.0.0，選擇Format Disk項即可對C盤進行格式化。

3.2 LRT實時模塊安裝

在其LRT Safe Mode模式下，可在上位機的Max軟件中對目標機的名稱、IP地址等進行設(shè)置。IP地址等信息填寫好后，點擊Apply按鈕，以便使設(shè)置的目標機IP地址等信息在重新啟動PXI總線控制器后生效。重新啟動PXI總線控制器后，LRT實時軟件模塊便安裝成功。接下來還需要安裝相關(guān)應用軟件和驅(qū)動程序，以便于運行用戶所開發(fā)的應用程序。

3.3 應用軟件安裝

在上位機Max軟件中，右鍵點擊Software項，選擇Add/Remove Software，然后選中相應的軟件，按指示即可完成安裝。各應用軟件安裝完成后，在Software目錄下即可出現(xiàn)各軟件目錄。

至此，便完成了基于PXI總線控制器的LRT實時軟件模塊及相關(guān)軟件的安裝工作。

4 LRT實時系統(tǒng)應用程序開發(fā)

基于PXI總線控制器的 LRT實時系統(tǒng)應用程序的開發(fā)方式與基于通用PC機的LRT實時系統(tǒng)的應用程序開發(fā)方式本質(zhì)相同，采用交叉開發(fā)方式，即通過其上位機對其應用程序進行開發(fā)，并將編譯后的應用程序下載到目標機上運行[3]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

上位機運行WindowsXP操作系統(tǒng)，并安裝LabView應用程序開發(fā)環(huán)境。基于LabView所開發(fā)的應用程序經(jīng)編譯后可通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)下載到目標機上運行，并能對目標機中應用程序的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5 基于PXI的LRT實時系統(tǒng)通信接口分析

在利用基于PXI總線技術(shù)的LRT實時系統(tǒng)構(gòu)建各類仿真系統(tǒng)時，同樣需要實現(xiàn)PXI總線控制器與其他系統(tǒng)（如通用PC機、電模擬器、部件原型樣機等）之間的數(shù)據(jù)、控制信號等的通信。由于PXI總線系統(tǒng)可以方便的配置各種接口模塊，因此可以按照其他系統(tǒng)的接口需要（如：RS422/485、CAN等）選擇合適的接口模塊實現(xiàn)接口通信。

6 應用實例—衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)開發(fā)

下面利用基于PXI總線控制器的LRT實時系統(tǒng)來開發(fā)一套衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)，對姿軌控系統(tǒng)的姿態(tài)控制算法等進行仿真測試，以驗證基于PXI總線控制器的LRT實時系統(tǒng)的構(gòu)建方法、應用程序開發(fā)方法等的可行性和有效性。

6.1 仿真系統(tǒng)需求分析

衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)主要由動力學仿真系統(tǒng)、敏感器仿真系統(tǒng)、星載機仿真系統(tǒng)、執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)四大部分構(gòu)成，這四個系統(tǒng)之間互相關(guān)聯(lián)，每個仿真系統(tǒng)的正常運行都需要其他仿真系統(tǒng)的運算結(jié)果作為其輸入?yún)?shù)，四個仿真系統(tǒng)共同構(gòu)成大系統(tǒng)閉環(huán)，其中姿軌控控制程序運行于星載機仿真系統(tǒng)上。該仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖5所示。

6.2 仿真系統(tǒng)開發(fā)研制

6.2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由基于PXI總線技術(shù)的動力學仿真系統(tǒng)、基于通用PC機的敏感器仿真系統(tǒng)、基于通用PC機的星載機仿真系統(tǒng)、基于通用PC機的執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)四部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

6.2.2 通信接口設(shè)計

上述四個分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信是通過CAN總線接口進行的。在上述硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于PXI總線技術(shù)的衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)如圖7所示。

基于PXI的動力學仿真系統(tǒng)用一個CAN總線接口進行數(shù)據(jù)發(fā)送，用另一個CAN總線接口用于數(shù)據(jù)接收，基于通用PC機的敏感器、星載機及執(zhí)行部件仿真系統(tǒng)各自用一個CAN總線接口進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。這四部分之間CAN總線通信結(jié)構(gòu)采用總線形式，這樣設(shè)計是為了后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變和功能升級的方便，即此總線型CAN總線結(jié)構(gòu)能夠方便的增加或減少節(jié)點，而不會對總線上其他節(jié)點產(chǎn)生影響。基于上述硬件結(jié)構(gòu)和通信結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)硬件實物圖如圖8所示。

6.2.3 應用程序開發(fā)

基于上述硬件結(jié)構(gòu)和通信方式，下面將分別對四個分系統(tǒng)進行應用程序開發(fā)。

基于交叉開發(fā)方式，利用LabView軟件開發(fā)環(huán)境所開發(fā)的動力學仿真系統(tǒng)應用程序測試面板如圖9（a）所示，利用基于Windows操作系統(tǒng)的LabView軟件開發(fā)環(huán)境所開發(fā)的其他三個仿真分系統(tǒng)的應用程序測試面板如圖9所示。

6.3 仿真系統(tǒng)實驗驗證

衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的姿態(tài)控制軟件算法的理論控制曲線如圖10，該控制算法在基于LRT實時系統(tǒng)所構(gòu)建的衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)上運行的曲線如圖11。由于篇幅的關(guān)系，這里僅對星敏感器曲線和星體姿態(tài)角速度曲線進行比較。

通過對上述理論仿真曲線和實際運行曲線的比較，不難看出基于LRT實時系統(tǒng)所構(gòu)建的衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)能夠有效的對姿態(tài)控制軟件算法進行實時仿真和測試，從而驗證了該套系統(tǒng)的有效性，進而驗證了基于PXI總線控制器的LRT實時系統(tǒng)構(gòu)建仿真系統(tǒng)的可行性和有效性。

7 結(jié)論

本文對基于PXI總線技術(shù)的仿真系統(tǒng)構(gòu)建方法進行了系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上，對基于PXI總線控制器的實時系統(tǒng)構(gòu)建及應用程序開發(fā)進行了分析，并通過工程實例—衛(wèi)星姿軌控仿真系統(tǒng)的開發(fā)對上述方法的可行性和有效性進行了實驗驗證。

研究結(jié)果表明PXI總線技術(shù)可以用來有效的構(gòu)建各種仿真平臺，并具有定時精度高、開發(fā)周期短、系統(tǒng)升級方便等特點，同時還能實現(xiàn)從數(shù)學仿真到半物理/物理仿真的無縫升級，在航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

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