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基于虚拟仪器技术的运行环境 仿真系统的开发研究 北京中科泛华测控技术有限公司 石毅挛岳周崇斌褚春艳 西安电子科技大学 任获荣 本文主要关注于运行环境仿真系统的开发研究． 介绍７基于案例的动态仿真模型库和基于虚拟仪器 技术的硬件在环测试系统的开发方法。最后给出７ 一类结构，可以动态调整模型数据库结构 以满足交际系统需求；（２）它具有测试仿 真模型和真实系统匹配度的功能。（３）它 具有一个系统辨识工具，可以从实际的 个洗衣机主控板测试系统的具体例子 前言 仿真工具方面，而对于现代机电系统， 实验结果中提取精确模型，并重构动态 现代Ｔ业要而对激烈的市场竞争和 则相对忽略了仿真模型的精度和功能准 模型库。这些优点可以有效解决以前静 环境保护方面的严格约束。针对这 确度。 管仿真工具如ｆｎ』先进，不合适 态模型库带给仿真实验的问题。运行环 些挑战的主要策略是减少新产品的设计 的仿真模型肯定会导致错误的仿真结 境仿真系统另一个奖沣的是建立硬件在 和测试时间，减少开发费用，减少产品 果。这是现代仿真技术面对的重要ＩｈＪ 环测试系统。以虚拟仪器技术为基础，投入市场的剧期。解决这些问题的方法 题。 主要是在产品开发和过程设计过程中有 美国国家仪器公司发布了一整套 这项工作变得更加容易。 效利用ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ技术。在两个 软、硬件工具｝｛＝Ｉ于建立测 最困扰机电产品设计和开发人员的主要 控应用，为仿真系统和仿 问题中，第一是如何合理选择部件和子 真模犁的开发提供了－－－一个 系统以满足系统需求，第■是如何在低 良好的基础。 成本条件下测试系统性能。仿真技术是 运行环境仿真系统的 运行环境仿真系统的结构和开发方法 解决这两个问题的答案。计算机仿真为 研究首先集中ｔ＝仿真模 在变条件和不同参数的情况下描述和分 ，精确建 ・个针对机 析系统行为提供ｒ可能，同时可获得足 电部件和系统的动态案例 够数量和质晕的分析数据。它具有 需 仿真模型库。这个动态仿 要实际工作环境，不需要复杂加载系统 真模型库具有三个优点： 等许多优点。 （１）它提供了・个基于案 硬件在环测试系统 过去，仿真技术的研究主要集中十 例推坪技术的仿真模型分 圈１运行环境仿真系统结构雹 ５Ｏ 今日电子・２００６年３月 维普资讯 http://www.cqvip.com
｛ 基于案例的模型库 来越多的人工智能研 驱动系统、传感器等。进一步，执行器 器件模型 改进横型 究人员关洼，它是一 还可按照不同的类型，如功率、最大转 ’ 竺 ！ ！ 謦芝 动态辨识横块 种利用过去案例和经 速、驱动方式等再进行分类。图３给出 ▲—— 验解决问题的类推方 了一个简化的电机分类的例子。其中案 法。总的来说，案例 例ｉ代表模型库中的一个原始模型。 ’ 一．．．．…—．．．．．——————～一一 推理技术采用以下的 根据以 的分类，就可以对不同的 对ｔＥ功能模块 ＿＿—————— 模型测试与 评价功能横块 推理步骤： 模型获得多种快速、有效的索引方法。 …一一一一ｒ一一一 横型测试与评价横块 （ａ）确认问题：输 例如，如网３所示，现在在这个模型库 真实实验结果 入需求，初始化条件 中具有三个案例，每个代表一种类型的 和问题相关信息； 电机模型 如果现在需要得到功率大于 圈２动态案锄模型库的结构图 （ｂ）获取案例：根 １ｋＷ，最大速度大于３０００ｒｐｍ的交流电 运行环境仿真系统包含两个部分： 据需求和初始条件，寻找与实际问题类 机模型，但ｋｌ前在图３所示的库中没有 一是动态案例模型库，二是硬件在环测 似的案例； 匹配的模型。案例模型库将自动建立一 试系统。具体结构见图１。 （ｃ）修改案例：从最类似的案例或案 个新的案例，并重构模型库，重构的模 动态案例模型库主要包括几个模 例组中提取目标解决方案，通过修改目 型库结构如图４所示，以上的例千解释 块：索引引擎、数学模型库、数据描述 标方案满足实际需求， 了模型库重构的方法。 述方法对于动 库、其他数据库、动态辨识模块、模型 （ｄ）存储案例：解决完问题后，将最 态案例模型库非常关键，因为它提供了 测试和评价模块。 新的解决方案存储到案例库中。 一个办法来自适应调整模型测试，评价 硬件在环测试系统可以分为软件和 案例推理技术最重要的部分是建立 和辨识的索引和重构过程。人工神经网 硬件部分。软件部分主要是测控软件模 案例的索引引擎和设计索引算法，可以 络、模糊逻辑，或其他人工智能理论可 块。硬件部分包括全部硬件系统，ｆＪＮＰＸＩ 利用这个技术建立案例数据库。整个数 以应用于重构工作，从而进一步提高模 总线系统，ＰＣＩ总线系统，Ｃｏｍｐａｃｔ— 据库将来可以建立成具有可重构特性的 型库的自适应能力。 ＲＩＯ系统等。 分布式网络结构，它最主要的优势在于 （２）模型测试和评价模块 ・动态案例模型库 能够根据用户需求重构分布式网络，并 模型测试和评价模块主要包括两个 动态案例模型库的开发主要以Ｎ Ｉ 快速引导到合适的案例。这项技术具有 部分，参见图２。第一部分完成仿真实验 ＬａｂＶＩＥＷ仿真模块、Ｍａｔｌａｂ和其他仿 很强的自适应能力。 真工具包为基础进行。动态案例模型库 在这个模型库 包含以下几个主要部分：案例模型库（索 中，机电系统和部件 类型 引引擎、数学模型库、数据描述库、其 的模型可以分为几个 ／ ＼ 他数据库），系统辨识软件模块，模型测 主要部分，如机械、 ｗ甜 掰 豁 试和评价模块，模型传输和修改模块。 电子电气、液压等 主要结构见图２。 这些分类组建成一个 （１）案例模型库 树型结构 例如，电 案例１ 案例２ 案例３ 模型库采用案例推理技术实现，这 子电气组件可以分为 项技术在２０世纪８０年代后期逐渐被越 徽处理器、执行器、 田Ｊ筒化它机模型分类 今日电子・２００６年３月 ５１ 维普资讯 http://www.cqvip.com
田４重构的缉化它机模 犀结构 结果和实际实验结果的对比，判定两者 之间的差异；第二部分测试和评价仿真 模型是否对应实际的部件和系统。在抉 得实验结果后，案例模型数据库会自动 选择相关的模型和仿真实验结果提供给 测试过程。模型测试和评价的两个功能 描述如下。 （ａ）对比功能：对比仿真实验结果和 真实实验结果的有效办法是计算两者牟霄８ 出数据的莘异，同样也可以对比两者系 统参数、性能指标、动态特征图等方面 的误差。经过对比，这些误差将提供到 模型测试和评价模块。 （ｂ）模型测试和评价功能；如果误差 序列是具有零均值和非常小的方差的白 噪声序列，可以划定仿真模 和实际系 统非常接近．模犁不需要修改或者重 构。否则，必须修改仿真模型或重构来 提高匹配精度。 （３）动态辨识馍块 如果模型测试和评价结果说明相关 的模型必须进行修改或者重构，动态辨 识模块就要进人工作。动态辨识模块将 利用真实实验结果获得新的模型，并进 行模型饺准和修改。 ５２ 今日电子・２００６年３月 能，选择合适的数学模型来描述实际系 统｝ （ｂ）选择合适的系统辨识方法，以获 得所需的模型参数和其他描述； （ｃ）Ｎ试数学模型的精度。 经过以上的辨识上作，改进的或新 的数学模型将进入案例模型库。案例模 型库、馍型测．畎和评价模块、动态辨识 模块这三个部分的工作形成了一个闭 环，从而保证了整个模型库的自适应性 能，并组成了整个动态案例模型库。 ・硬件在环测试系统硬件在环测 试系统最初是被构思成一个中＋一功能的 测ｌ戚系统，在汽车行业中的应用最主要 是用于发动机控制元件的测试。现在， 越来越多的电子控制元件和其他通用的 测试应用都逐渐采用了硬件在环技术来 实现。工程技术人员面对的建立硬件在 环测试系统的＿丰要问题是如何将仿真系 统和实际系统通过人量高速的Ｉ／Ｏ通道 和信号调理通道同步运行起来，并保征 功能和性能。随着现在计算机的功能和 灵活性越来越强，工程师和科研人员更 倾向于使用虚拟仪器来实现硬件在环测 试系统。 通过使 虚拟仪器技术，硬件在环 测试系统的宅现变得越来越容易。、图５ 足一个硬件在环测试蛮现的具体例子。 这个程序采用ＬａｂＶＩＥＷ实现，一个采 用传递 数描述的数学模型嵌入了测试 的过稃，从而实现了实际系统和数学模 型混合的硬件在环测试流程。 这种实现方法可以把许多机电产品 通过不 的描述方式引入到洲控系统 中，这些不同的描述方式包括数学模 维普资讯 http://www.cqvip.com
！廿 ！ ！ｆ＝＝＝： ｝ Ｉ ｌＣｈｌｓ帅Ｐ ｌ： Ｉ＿＿１～１ ・１ 一嚆ｉ圃 ｌ ９：水罐１ 一 臣６錾顿式求证传惑器的结构匿 Ｒ１ ｆ＝＝＝ 目 ： ｌ，ｉＬ ｕａ ｌ ｏｇ。 ＤＢ Ｌ，－Ｉ 田 ｇ ５硬件在环镬ｑ试示倒 ｃ 随 面 首先，提取与主控板紧密联系的部 Ａ１ ｆ ｃ １ ＩＬ 【 Ａ２ｆ一ｒ一输出 辅硼 Ｒ２ ｌ。。、’ 。 ｆ ｃ 型、数据表、数据图，等等。通过与动 态案例仿真模型库的有机结合，这砦模 件的仿真模型，如鉴频式水位传感器， 型将加入仿真模型库中。这样硬件在环 电机 入水『倒等。其中，鉴频式水位传 测试系统就具有了坚实的模型库作为资 感器很具有代表性。下面先简要介绍如 源中心了。 何建立鉴频式水位传感器的仿真模型。 一般来说，在鉴频式水位传感器安 装固定后，它的线圈匝数 空气导磁率． 鉴频式水位传感器的结构见图６。 磁芯导磁率、线圈平均半径、磁芯有效 洗衣机主控板测试系统简介 它采用ＬＣ电磁谐振电路作为敏感元件， 半径和线圈长度都是不变的，唯一改变 主控板是全自动洗衣机的核心控制 将水位信号转变成ＬＣ参数变化，最后 的是磁芯在线圈中移动的位置。这个运 单元。在装配结束后，必须对主控板的 输出频率信号。原理可以简单描述如 动是线性的，也就导致电感的改变是连 功能和输入／输出接口进行测试。主要 下：水位首先影响在气腔内的气压，气 续的。通过理论分析和实验验证，水位 的测试目标包括门开关信号、关断信 压的改变使导板运动，磁芯也就在线圈 信号和鉴频式水位传感器的输出频率是 号、水位信号 进水阀控制信号，驱动 中移动，这就改变了线圈的电感，最终 控制信号、电机控制信号等。为了完成 ＬＣ电路产生了不同的频率信号。鉴频式 上述工作，开发了基于运行环境仿真系 水位传感器的等效电路见图７ 统的洗衣机主控板测试系统。这套系统 表１ ＳＷ一４型的水位和输出频率对应关系表 采用ＮＩ公司多功能板卡和ＬａｂＶＩＥＷ软 下面给ｆＵ ｒ两种比较常用的鉴频式 水位传感器产品的特性表，描述了水位 水位（ａｒｍ） ０ 频率（ｋＨｚ） ４２．２ １１０ ｌ ２１０ ｌ ２５０ ４１．５５ ｌ ４０．３７ Ｉ ３９．８７ ２９５ ３９．３ｌ ３２０ ｌ ４００ ３９．００ Ｊ ３８．Ｏ０ 件平台实现了模拟洗衣机正常工作状态 和全自动测试的工作。下面介绍这个具 表２ ＸＱＢ５２－１０８Ｇ骂！！水位和输出频率对应关系表 有一定代表性的运行环境仿真系统的开 发方法。 水位（ａｒｍ）１ ０ 频率（ｋＨｚ）ｌ ２６．７ ９０ ｌ ２２３ ２５．９２ ｌ ２３．５６ ２９０ ２２．６２ ３５Ｏ ２１．９８ ３９５ ２１．５２ ４２５ ２１．４ 今日电子．２００６年３月 ５３ 维普资讯 http://www.cqvip.com
和输出频率的对应关系，第一个是ｓｗ一 开关信号、关断信号、水位信号、进水 实现实际的测控系统，以减少开发难 ４型，第＿＝＝个是ＸＱＢ５２－１０８Ｇ型 阀控制信号、驱动器控制信号‘、电机控 度、费用和其他投资。这两部分具有非 通过实验结果和数学分析，便获得 制信号等，最终完成了全自动洗伏机漂 常密切的关系，但两者是相对的系 了不同鉴频式水位传感器的数学描述方 洗、冼涤、甩干等状态的全自动测试工 统。运行环境仿真系统为这两者搭建了 法。这个方法同样应用干其他部什的仿 作。一座桥梁，从而使真实对象与虚拟运行 真数学描述，并将这些数学描述加入动 环境巾的仿真对象紧密结合形成更高层 次的测控系统。 态案例仿真模型库，以便下一步建立全 结论 自动洗衣机主控板测试系统 运行环境仿真系统具有两个重要的 今后的工作土要存两方面开展：首 在整套硬件在环测试系统中，选择 组成部分；动态案例仿真模型库和基于 先是提高模型建立和索引引擎的质量， Ｔ ＮＩ公司Ｍ系列多功能卡作为数据采 虚拟仪器的硬件在环测试系统。前者＝Ｅ 扩展仿真模型的类型，简化数学描述形 集模块，ＮＩ的ＬａｂＶＩＥｗ软件平台开发 要用于扩展真实部件和系统的数学描述 式；其次是 硬件在环仿真技术，实时 了整套测试软件。根据硬件输出模拟了 范围，采用案例推理方式合理分类；后 测控环境，分布式通信技术等方面进一 主要的传感器和执行元件的信号，如门 者主要针对如何通过使刖数学描述方法 步提高。 囤 ＮＩ中国分公司自２００６年起实行直销模式 美国国家仪器中国有限公司（Ｎａｔｉｏｎａｌ ｉｎｓｔ ｒｕｍｅｎｔｓ．简称 ＮＩ大中国区总经理陈大庞博士表示“ＮＩ中国之前的销售 ＮＩ）宣布自２ ００ ６午１月起在中国境内正式实行直销模 模式已经不能满足本地用户日益增长的需求，在ｗＴｏ的 式，为本地用户带来更优惠的产品价格和更快速的到货服 下 ＮＩ中国采用了与全球其他分公司相同的直销模式，我们 务，免除之前用户自己报关的繁琐手续，并保持一如既往的 将以此为契机，为中国用户提１＝｝ｃ更好的产品和服务。” 高质量技术支持 Ｔｅｎｓｉｌｉｃａ公司发布钻石系列标准处理器内核 ＴｅｎｓｉＩｉ ｃａ公司干近日发布了六款钻石系列标准处理器内 Ｄｉａｍｏｎｄ ５７０ＴＩ ５０ｎｍ ＬＶ工艺下功耗为０．１ ５ｍＷ／ＭＨｚ．在１ ３Ｏｈｍ Ｇ工艺下功 核，包括Ｄｉａｍｏｎｄ １ ０６Ｍｉｎｉ、Ｄｉａｍｏｎｄ ２ ｌ ２０Ｐ、Ｄｉａｍｏｎｄ ２３２Ｌ、 耗为０．２０ｍＷ／ＭＨｚ 、Ｄｉ￣ｍｏｎｄ ３３０Ｈｉ ＦｉＤｉａｍｏｎｄ ５４５Ｃ、，这些内梭 Ｄｉ ａｍｅｎｄ ５４５６Ｋ是高性能的可授权ＤＳＰ内核，拥有一个 三发射（ｊ—ｉ ｓｓｕ６）的ｖｕｗ（超长指令字）处理器．８个１ ６位ＭＡＣ 都可以选用ＡＭＢＡ总线的桥接口模块。 Ｄｉａｍｏｎｄ １ ０８Ｍｉｎｉ是超低功耗、无高速缓存器的ＤＩＳＣ控制 （乘法累加器）、１ ６组１ ６０ｂｉｔ宽的向量寄存器，可以支ＳＩＭＤ（单 器，拥有丰富的中断结构，ｆ－］数少 可配合容量可选的本地 指令多数据流）操作 支持Ｘｔｅｎｓａ ｉＳＡ紧凄的Ｉ ６／２４ｂｉｔ指令 指令和数据ＲＡＭ。Ｄｉａｍｏｎｄ ２１ ２ｏｒ是灵活的中型ｇｉｓｔ控制器， 编码 针对基带通信应用 Ｄｉａｍｏｎｄ ５４５０Ｋ ＤＳＰ内核内部加 包括指令和数据高速缓存器、一个Ｉ ６位乘法累加器，ＤＳＰ功 入了一个Ｖｉ￣ｅｒｂｉ运算加速器 能以及零耗循环支持。Ｄｉａｍｏｎｄ ２１ ２ＧＰ还包分一个单周期响 Ｄｌａｍｏｎｄ ｊ ３ ０…Ｆｉ是基于Ｘｔｅｎ ｓａ Ｈｉ Ｆｉ二音频引擎的２４ 应的本地接口总线 Ｄｉａｍｏｎｄ ２ ３２ Ｌ处理器内核是专门针对 位音频处理器，采用２４位音频数据处理方式。基于ＴＳＭＣ Ｌｉｎｕｘ应用而设计的 它包含了功能完整的ＭＭＵ，Ｉ ６Ｋ一４路 ０．１ ｊ ｍ ＬＶ工艺，Ｄｉ ａｍｏ ｎ ｄ ３ｊ ０ Ｈｉ Ｆｉ处理器内核运行于 组相连的指令和数据ｃａｃｈｅ。同时，Ｄｉａｍｏｎｄ ２ ５￣Ｌ还包括了 ２ ０ ＯＭ｝Ｉｚ时的静态功耗为０＋４０ｍＷ 动态功耗为ｌ７ ８ｍＷ 全 强大的ＤＳＰ功能，如ＭＡＣＩ ６、ＭＵＬ１ ６、ｍｉｎ／ｍａｘ、ｓｉｇｎ ｅｘｔｅｎｄ、 部功耗为１ ８．２ｍＷ或者０ ０９１ ｒｎＷ／ＭＨ ｚ。闸Ｄｉａｍｏｎｄ ３ ３０…Ｉ Ｆｉ ＮＳＡ等专用指令。Ｄｉａｍｏｎｄ ５７０Ｔ标准处理器内核是一款三发 处理器内核进行ＭＰＥＯ－４ ＡＡＯ ＬＣ解码所需的最大频率仅 射、静态超标量流水线可综合的高性能处理器内核，在 ５８ＭＨｚ．． ５４ 今日￣．－７－－２００６年３月
