搭建基于labview的xPC目標實時仿真系統控制平臺

顏艷騰 ， 葉 周 ， 張 銳

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

xPC目標是MathWorks公司提供和發行的一個基于RTW體系框架的附加產品，可將Intel80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉變為一個實時系統，而且支持許多類型的I/O設備，用戶只需安裝相關的軟件、一個編譯器和I/O設備板，就可將一個PC兼容機作為實時系統，來實現控制系統或DSP系統的快速原型化、硬件在回路中的測試和配備實時系統的功能[1-2]。xPC目標通過以太網連接或串口線連接來實現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，可以調用xPC目標的API實現對目標程序的操作，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目標是一種用于產品原型開發，測試和配置實時系統的PC機解決途徑。xPC目標采用了宿主機-目標機的技術途徑，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目標通過以太網連接或串口線連接來實現宿主機和目標機之間的通信。顯示了快速原型化環境中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可實現在宿主機上設計、創建目標應用程序，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、獲取信號數據和實時地調整參數。

xPC目標實時仿真的基本步驟：

1）通過xPCTarget Explorer設置宿主機和目標機的通信機制，如通信協議設為TCP/IP，設置目標機的IP地址、子網掩碼、端口號等。

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

3）設置Simulink仿真模型的仿真參數，其中必須設置的是Solver options為固定步長，在Real-Time Workshop中系統目標文件為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，下載執行應用程序。在宿主機使用xPCTarget Explorer或調用xPCTarget API函數連接目標機，下載已編譯的.dlm文件，啟動應用程序，即可實現宿主機對目標機的控制與遙測，如設置模塊參數和讀取輸出信號等。

2 labview與xPC目標接口設計

2.1 xPC目標API函數分析

2.1.1 API函數介紹

xPC目標為用戶創建自己的宿主機圖形界面程序提供了一組API函數，這組API函數包括：處理宿主機/目標機通信的函數；目標機程序管理函數；數據記錄函數；示波器管理函數；信號監視和參數調整函數；錯誤處理和其他用途函數。xPC目標的API函數以兩種方式提供給用戶，動態鏈接庫（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建控制目標機實時程序的用戶界面。

根據xPC外部接口程序調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協議進行通信，通信函數為：int xPCOpenTcpIpPort（const char*ipAddress，const char*ipPort）；注意函數返回一個正整數值，稱為port，若port值為非負整數，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函數都要用到該port值作為傳入參數；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。函數為：void xPCS tartApp（int port）。

4）監控并記錄目標應用程序在目標機上的運行情況。這里包括設置目標應用程序運行參數，監測目標應用程序中信號，使用文件系統函數保存記錄數據等一系列函數。

2.1.2 設置目標機上應用程序參數

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

2.1.3 監測目標機上應用程序中的信號

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

2.2 labview調用xPC目標API函數

2.2.1 創建初始化DLL動態鏈接庫

xPC目標API是以DLL文件的形式提供的，所有的API函數都封裝在xpcapi.dll中，因此在調用API函數之前必須正確加載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int xPCInitAPI（void）用于顯示加載 xPC目標 API DLL。程序在設計時需在初始化階段調用該函數加載DLL，結束時則需要釋放DLL，同樣在xpcinitfree.c中提供了釋放DLL的函數 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直接調用的DLL文件，因此我們首先需要利用現有資源編寫生成能夠實現初始化加載和釋放xPC目標API DLL的DLL文件xPCInitFree.dll。本文在Visual C++6.0環境下建立支持xPC目標API調用初始化與資源釋放的動態鏈接庫。使用Visual C++6.0創建DLL的一般步驟為：新建一個MFC AppWizard（dll）工程，定義外部接口，編寫外部接口函數的實現。參考在源文件xpcinitfree.c中分別用于實現xpcapi.dll的加載和卸載函數int xPCInitAPI（void）和 void xPCFreeAPI（void），定義 2 個主要的動態鏈接庫接口xPCInitAPI和xPCFreeAPI。執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程序之間的數據類型，定義API中使用的數據結構；執行卸載操作時恢復xPC目標API使用的常量的初始值，并注銷所使用的數據結構類型。

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創建宿主機控制界面

下面我們依照xPC調用API流程來設計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面板找到調用庫函數節點，查找路徑互連接口→庫與可執行程序→調用庫函數節點。設計連接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、關閉xPC目標連接、釋放資源的基本流程實現LabVIEW調用xPC目標API函數，并將各個流程模塊打包設計成子vi，完整labview程序設計如圖5所示。

此時便設計完成了一個基于labview的宿主機控制平臺。經過實驗測試，完全可以實現來控制xPC目標程序的鏈接、下載、運行、信號監測等一些列功能，并且可以在此基礎上通過調用不同API函數來實現對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，連接網絡

根據xPC目標機的IP地址及其端口，可以執行連接網絡和斷開網絡的操作。首先確保上位機和下位機網絡接口的連接，并設置上位機IP地址和xPC目標IP地址在同一個局域網內，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，執行下載程序、運行程序、停止程序和卸載程序操作。

3）設置參數并運行程序

設置參數和獲取信號是xPC目標API提供的核心功能，調用相應的API函數，我們只需要傳入參數模塊在Simulink程序模型中的路徑和參數值。可以在軟件中設置路徑常量，也可以通過UI輸入路徑。

4）數據遙測

數據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參數模塊在Simulink程序模型中的路徑，遙測的數據可以通過文本和數據圖表實時顯示。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）卸載程序并斷開網絡

在程序運行結束后，可以選擇卸載程序和斷開網絡。

4 結束語

該測試系統采用具有高速數據采集卡的便攜式測試計算機為硬件平臺，軟件設計采用模塊化設計思想本文介紹了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函數的結構與用途，研究了labview與xPC的接口問題，實現了通過labview調用xPC目標API函數的目的，并基于labview[7]設計某模型的xPC目標程序的控制軟件，實現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，可以充分有效的發揮xPC目標實時仿真系統的優勢。

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