基于虛擬硬件在環的控制軟件開發

劉棟材，練國富

(1.合肥師范學院 電子信息工程學院，合肥　230601; 2.福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州　350118)

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基于虛擬硬件在環的控制軟件開發

劉棟材1，練國富2

(1.合肥師范學院 電子信息工程學院，合肥230601; 2.福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州350118)

摘要：傳統的軟件產品開發過程一般首先是完成控制硬件單元的設計與制造，再進行控制軟件的開發及測試。這種開發方式不僅延長了開發周期，而且在調試過程中由于硬件的影響，當軟件運行發生錯誤時難以快速定位問題所在。為此，提出了虛擬硬件在環的概念，并在此基礎上進行軟/硬件的并行開發，為設計人員提供了一種高效的軟件開發方法，提高了開發效率。最后以光柵刻劃機控制軟件為例，詳細闡述了基于虛擬硬件在環的軟件開發方法，并將開發完成的控制軟件移植到實際系統中進行測試。

關鍵詞：軟件開發；虛擬硬件在環；光柵刻劃機

目前，高精度復雜的控制系統大多采用計算機通過專用控制軟件進行邏輯與數據運算。但是，隨著用戶需求的提高，軟件的功能和規模也在日益增加，軟件的開發與測試變得更為重要[1]。傳統的軟件開發方法一般是在產品硬件完成后再進行相關軟件的編寫與調試，但是在調試過程中，由于與硬件的交互性，當調試出現錯誤時，難以快速準確地定位問題所在，因此造成了軟件開發測試效率低、周期長等問題[2-3]。

在軟件開發過程中，為了避免硬件的干擾，更好地將精力集中于軟件本身[4]，本文提出了虛擬硬件在環的概念，并基于此構建控制系統應用軟件的仿真開發平臺。利用計算機構建控制硬件單元與被控對象的虛擬模型，為開發人員提供了一個方便高效的軟件開發平臺。采用基于虛擬硬件在環的仿真開發平臺，解決了傳統開發需要等待硬件完成后才能進行軟件開發的問題，提高了開發效率。由于不和實際硬件單元相連接，所以開發的軟件通常具有較高的移植性。

1虛擬硬件在環

硬件在環技術使用仿真模型來描述實際的被控對象，并通過實際的控制硬件單元與該仿真模型相連接，進行控制系統軟件的開發[5-6]，如圖1所示。

圖1硬件在環仿真

基于硬件在環的開發方式可以用來測試控制硬件單元以及系統軟件的運行情況。但在測試的過程中，系統軟件需要與控制硬件單元進行交互，軟/硬件的耦合會給測試帶來不便，而且軟件的測試也需要在控制硬件單元全部制造完成之后才能進行，延長了軟件的開發周期[7]。

圖2所示為虛擬硬件在環仿真，通過利用計算機構建控制硬件單元與被控對象的仿真模型來進行系統軟件的開發。基于虛擬硬件在環仿真所搭建的開發平臺是系統軟件開發與測試的“軟”平臺，與實際控制硬件單元無關，因此對于偏重算法的系統開發效果更為顯著。

圖2虛擬硬件在環仿真

2基于虛擬硬件在環的軟件開發

基于虛擬硬件在環的軟件開發，首先要構建實際控制硬件單元的仿真模型。目前，控制類軟件大多直接運行于計算機上，少數需要移植到嵌入式系統等其他設備系統中[8]。為了將來能更有效地利用現有代碼，采用模塊化編程方法[9]，將控制軟件分為用戶界面、控制邏輯、硬件驅動以及虛擬硬件等4個模塊，如圖3所示。

圖形用戶界面模塊主要實現與用戶進行交互的界面接口，如參數設置、算法選擇、運行狀態顯示等[10]。

控制邏輯模塊實現單個控制硬件單元的控制邏輯及多個單元的協同邏輯。該模塊采用C語言進行代碼編寫，以便于未來應用中由計算機向嵌入式系統等移植的可能性[11]。

硬件驅動模塊實現控制邏輯與硬件的連接。在仿真開發平臺中，該模塊根據控制結果驅動虛擬硬件執行相應的操作。在后期系統實際運行中，該模塊需要根據控制硬件單元的接口情況進行相應的改寫[12]。

虛擬硬件模塊通過編程模擬控制硬件單元的各種設備元件，構建虛擬硬件子系統，如設備驅動元件及反饋測量元件等。該模塊用于驅動被控對象的仿真模型執行相應操作[13]。

完成以上4個模塊的編制后，運行系統按照測試軟件的執行情況，并根據輸出結果修正相應的軟件代碼直到獲取期望的控制邏輯輸出為止。

圖3　控制應用軟件模塊結構

基于虛擬硬件在環的軟件開發方式在硬件制造的同時通過仿真的方式測試軟件的運行邏輯，在硬件制造完成后，將硬件驅動模塊改寫為實際的驅動接口，從而節約了實際調試過程中的軟件測試時間，縮短了開發周期[14-17]。

3光柵刻劃機系統軟件設計與測試

3.1光柵刻劃機

如圖4(a)所示為光柵刻劃機三維模型，由分度系統與刻劃系統兩個部分構成[18]。分度系統用于完成光柵毛坯的定位操作，將光柵移動到指定位置處；刻劃系統則用于完成光柵的刻劃，當光柵到達目標位置時，驅動刻刀完成光柵上刻線的刻劃。

如圖4(b)所示，光柵毛坯放置于內臺上，內臺與外臺之間通過懸掛彈簧片與壓電陶瓷連接，而外臺則經由絲杠螺母與蝸輪蝸桿連接至伺服電機。分度系統在伺服電機與壓電陶瓷的共同作用下，帶動光柵毛坯精確運動至目標位置處，并保持位置恒定。此時，刻劃系統則驅動刻刀完成光柵刻劃。兩者的運動關系曲線如圖5所示。

3.2編程工具選擇

光柵刻劃機的控制軟件是一款運行于計算機上的單機應用軟件。目前， Windows系統使用較為廣泛，但Linux等系統仍然存在著一定的用戶基礎。考慮應用程序應具有良好的移植性，本文采用了QT來進行程序開發。QT以C++ 語言作為編程語言，能跨平臺編譯，并允許組件編程[19]，因此采用Nokia公司所提供的QT Creator來進行光柵刻劃機系統軟件的開發。

圖4　光柵刻劃機三維立體機構圖

圖5　運動曲線

3.3軟件模塊編寫

3.3.1用戶界面模塊

用戶界面為操作人員提供了交互式接口。一款優秀的界面在滿足用戶功能需求的基礎上，應界面美觀、簡潔，同時易于操作[20]。光柵刻劃機控制軟件分為參數設置、狀態顯示及曲線顯示等子模塊，如圖6所示。

3.3.2控制邏輯模塊

控制邏輯模塊是系統的核心模塊，單個控制硬件單元的控制邏輯及多個單元的協同邏輯均需要在該模塊中進行實現。實現系統的控制邏輯開發是基于虛擬硬件在環的軟件仿真開發方法的最主要目的。該模塊的結構如圖7所示。

圖6　用戶界面模塊

圖7　控制邏輯模塊

3.3.3虛擬硬件模塊

虛擬硬件模塊用于模擬光柵刻劃機的實際控制硬件單元，從功能上來說，可以分為控制單元與測量單元兩個部分，包含了控制與測量等相關設備，如帶動光柵毛坯運動的伺服電機，以及測量光柵毛坯位置的激光干涉儀等。

虛擬硬件模塊是在基于虛擬硬件在環的控制軟件開發的關鍵環節。虛擬硬件仿真的正確與否直接決定了軟件的運行結果。考慮到將來虛擬硬件的重用性，在編寫各個硬件子系統時，為了代碼的復用性和可移植性，接口函數采用與實際設備相同的控制接口[21]。

為了將來程序改寫與移植的便利性，虛擬硬件設備均采用各自獨立的線程來完成，在軟件實際應用時，刪除相應的程序內容即可。

3.3.4硬件驅動模塊

硬件驅動模塊主要用于連接控制邏輯模塊與虛擬硬件模塊。在仿真開發時，硬件驅動模塊接收控制線程的控制指令，之后驅動虛擬硬件執行相應動作。當向實際系統中移植時，根據控制硬件單元設備的接口情況，重新編寫硬件驅動模塊驅動實際硬件單元。

3.4光柵刻劃機系統軟件用戶界面

在進行控制軟件的UI界面設計時，在滿足用戶操作需求的同時，界面應盡量方便、簡潔。

光柵刻劃機系統軟件的主窗口界面如圖8所示，共分為3個窗口：① 主窗口顯示光柵刻劃機的二維模型示意圖以及刻劃過程中的狀態參數；② 左側的控制面板用于設定各種參數，如刻劃道數、數據保存位置等；③ 底部窗口實時顯示刻劃曲線以及用戶操作狀態等相關信息。

圖8　光柵刻劃機系統軟件界面

在圖形用戶界面模塊中，還提供了與用戶進行交互的各種界面。

在光柵刻劃機進行定位控制操作時，有多種控制算法均能實現精確定位，但控制效果的優劣需要實際檢測。因此，本文在控制軟件中提供了多種算法以供用戶選擇，如圖9所示。用戶可以根據實際測試結果選擇控制效果最優的算法。

圖10所示為數據曲線界面，由于刻劃數據量較大，在刻劃過程中所顯示的曲線不夠精細，因此提供數據曲線界面，用于后期的數據整理分析。導入刻劃過程中實時保存的數據信息，并顯示為曲線形式。在導入數據過程中，考慮到一次完整的刻劃數據量非常龐大，同時，操作人員只對某些關鍵性數據比較關心，因此還提供了數據起止位置選擇功能，用戶可以根據自身實際需求選擇指定的數據，并計算誤差等信息。

圖9　算法選擇交互界面

圖10　數據曲線顯示界面

3.5光柵刻劃機實驗

在光柵刻劃機控制硬件與系統軟件均開發完成后，為驗證仿真開發方式的有效性，將軟件移植到實際設備中。光柵刻劃機的定位分為粗定位與精定位兩步，但最終精度主要取決于精定位的定位精度，因此需要重點測試壓電陶瓷控制的準確性。為了簡化測試流程，去除粗定位的伺服電機，采用單神經元PID控制算法驅動壓電陶瓷進行500 nm的階躍定位實驗，采樣頻率設定為1 000 Hz。

實驗結果如圖11所示，在給出目標位置時，在單神經元PID控制算法的作用下，系統較快地到達目標值，同時穩態誤差呈現正態分布， 3σ值為8.2 nm。

圖11　單神經元PID定位實驗

4結束語

基于虛擬硬件在環的軟件仿真開發平臺，利用計算機構建控制硬件單元與被控對象的虛擬模型，為開發人員提供了一個方便高效的軟件開發平臺。為實現軟件復用功能，采用模塊化編程方法，將控制軟件分為用戶界面、控制邏輯、硬件驅動以及虛擬硬件等既相對獨立又有機結合的4個模塊。本文以光柵刻劃機系統控制軟件為例，結合4個模塊介紹了軟件的開發流程，并在軟件開發完成后將其移植到實際光柵刻劃機設備中進行了內層工作臺的階躍定位實驗，驗證了基于虛擬硬件在環的控制系統軟件開發模式的可行性。

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(責任編輯楊黎麗)

Development of Grating Ruling Engine Control Software Based on Virtual Hardware-in-the-Loop

LIU Dong-cai1, LIAN Guo-fu2

(1.School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University,Hefei 230601, China; 2.School of Mechanical and Automotive Engineering,Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Abstract:Traditional developing process includes several steps, and the manufacture of hardware is finished, and then the software will be developed and debugged. The traditional methods increase the developing period, and more importantly it is hard to detect problems due to the disturbance of hardware in the system. We proposed the concept of virtual hardware in the loop. Hardware and software developing were based on the concept. The efficiency can be increased largely due to the novel software developing method. The detail of the virtual hardware in the loop developing method was presented in the last part of our paper, with the example of developing control software of grating ruling engine. Finally, the developed software was embedded in real systems to make some experimental test.

Key words:software development; virtual hardware in the loop; grating ruling engine

收稿日期：2016-01-18

基金項目：福建省自然科學基金資助項目(2015J01181)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A576)；合肥師范學院人才啟動基金(2015rcjj04)

作者簡介：劉棟材(1984—)，男，安徽池州人，講師，主要從事智能設計與控制研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.019

中圖分類號：TP311.52

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0115-06

引用格式：劉棟材，練國富.基于虛擬硬件在環的控制軟件開發[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):115-120.

Citation format：LIU Dong-cai, LIAN Guo-fu.Development of Grating Ruling Engine Control Software Based on Virtual Hardware-in-the-Loop[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):115-120.