构建基于XPC目标的实时仿真测试系统

构建基于XPC 目标的实时仿真测试系统

张江滨,姚 辉,杨晓萍

(西安理工大学水利水电学院,陕西西安 710048)

摘 要 利用MATLAB 提供的Simulink 、RT W(Real Time Workshop)、XPC Target 等工具箱及I/O 硬

件,可以很容易实现数学模型的建立、可执行程序的生成、宿主机!目标机的通信连接以及与外部实物

的数据交换,构成基于双机模式的实时仿真测试系统,进行半实物仿真,来实现控制系统的快速原型化、硬件在回路中的测试、控制器的算法选择和参数优化、信号波形的跟踪显示等功能.文中详细介绍了如何基于XPC Target 环境构建实时仿真测试系统.

关键词 实时仿真;半实物仿真;XPC 目标;测试系统

中图分类号:T P39 文献标识码:B 文章编号:1000 0860(2005)01 0070 04

A real time simulation testing system based on XPC Target

ZHANG Jiang bin,YAO H ui,YANG Xiao ping

(I nstitute o f W ater R esources and Hydr oelectric Power,Xi an U niversity of T echnolo gy,Xi an 710048,Shaanx i,China)Abstract:T he development of mathematics model,the generation of executive program,the communication betw een host PC and targ et PC and the data exchange w ith outer matters ar e easy to be realized w ith the toolbox es o f simulink,RT W(Real T ime Workshop)and X PC T arg et in M AT L AB and I /O hardware,w ith w hich the real time simulation testing system based on double PC model can be established to prov ide the functions such as r apid prototyping o f a control system,the hardware testing in the circuit,the selection of algorithm and the parameter o ptimizat ion of controller and the track and display of signal w aves t hrough hardw are in the loop simulation concerned.How a real time simulation testing system is established based on XPC T ar get is g iv en in details hereinafter.

Key words:real time simulation;har dware in the loop simulat ion;XP C T arget;testing system

收稿日期:2004 09 10

作者简介:张江滨(1962!),男,陕西泾阳人,教授

1 引 言

MATLAB 是一种面向科学与工程计算的高级语言,它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体,具有极高的编程效率.特别是利用Simulink 工具箱中丰富的函数库可以很方便地构建数学模型,并进行非实时的仿真.而XPC 目标是Math Works 提供一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC 机解决途径.为了提高系统实时仿真的能力,XPC 目标采用了宿主机!目标机的技术途径,两机通过网卡连接,以TCP/IP 协议进行通信.宿主机用Simulink 建立模型,进行仿真前的参数配置,然后用RTW 和一个VC 编译器将模型编译为一个可执行文件下载到目标机.目标机通过软盘启动XPC Target 实时内核,运行从宿主机下载的RTW 生成的目标应用

程序,通过I/O 通道与外部实物进行数据交换,最终实现半实物的实时仿真测试.在XPC 目标环境下,可以从M ATLAB 中使用命令行或XPC Target 的图形

交互界面对程序的执行进行控制.在程序执行期间,可以交互地在线调整模型参数,信号绘图功能可以使人动态地观察信号波形,实现数据可视化和信号跟踪.如果目标机有监视器,则可以使用XPC 目标的目标管理器功能在目标机上直接观察信号和目标机的各种状态信息.

2 基于XPC 目标的宿主机!目标机模式

XPC 目标工作模式如图1所示.其具有如下特水利水电技术 第36卷 2005年第1期

点:(1)两机可通过RS 232或TCP/IP 协议进行通信,也可通过局域网、Internet 进行连接;(2)支持任何台式PC 机、PC/104、CompactPCI 、工业PC 或SBC(单板机)作为实时目标系统;(3)依靠处理器的高性能水平,采样率可达到100kH z;(4)扩展了I/O 驱动设备库,现已支持超过150种标准I/O 板;(5)可以得到来自主机或目标机的信号,也可以动态调整参数;(6)在宿主机和目标机上都可进行交互式的数据可视化和信号跟踪;(7)使用XPC Target Embedded Option 能针对独立操作进行系统配置

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图1 XPC 目标双机模式

3 系统的硬件连接

在XPC 目标的半实物仿真中,主要通过数据采集卡来实现计算机和外部设备的连接,既需要通过数据采集卡的A/D 接口从外部模拟设备采集数据送到目标机,也需要通过D/A 接口将目标机的计算结果送往外部模拟设备.

3 1 采用XPC 目标提供的I/O 设备

XPC 目标提供了支持超过150种标准I/O 板的I/O 驱动设备库.XPC 目标所提供的D/A 、A/D 、DI 、DO 等模板,它实际上是为不同的板卡提供不同的驱动程序.在应用中,将所用到的I/O 设备对应的模板拖入模型中,进行采集卡的参数设置(如通道数、电压范围、采样时间、基地址等),并在实际仿真测试系统中接入相应板卡.在编译模型文件时,其中的板卡的信息就会被编译为可执行代码,下载到目标机上后,目标就通过数据采集卡和外部设备建立了联系,构成实时仿真测试回路.在仿真过程中可以从这些板上输入输出数据,以进行半实物仿真.本文目标机安装的是研华公司(Advantech)的PCL 711B 和PCL 728数据采集卡.

3 2 采用其他I/O 设备

如果没有采用XPC 目标提供的I/O 设备,则需自己编写设备驱动程序,这时可参考x pcblocks 文件夹下的各种设备驱动程序模块的源代码来编写程序,并存为filename.c,然后在MATLAB 命令窗口输入命令:mex filename.c,MAT LAB 自动调用编译器生成mex 动态连接库文件filename.dll,并将其设置到M AT LAB 的搜索路径中,最后将文件封装成一个s function 模块,进行参数设置即可.

4 目标启动盘的制作

目标机必须通过特制的软盘启动才能调用和运行XPC 目标的实时内核.在安装了XPC 目标软件和网络通信硬件后,就可以设置宿主机和目标机的环境属性,进行目标启动盘的制作.本文的宿主机和目标机都安装了网卡,中间通过Hub 连接.将软盘插入宿主机的软驱,在MATLAB 命令行输入x pcsetup,出现XPC T arget Setup 对话框,就可以进行宿主机和目标机环境属性设置.最后单击BootDisk 按钮,就可完成目标启动盘的制作.

5 仿真模型的构建

根据实际测试要求可在Simulink 环境中方便地

构建模型.本文以发电机励磁测试系统为例,用Simulink 提供的发电机和负荷模型代替现实中复杂的电力系统,忽略调速器,以一常数代替.在XPC Tar get/Block Library 的A/D 库中拖动研华公司(Advan tech)的PCL 711B(在目标机上已经安装了PCL 711B 数据采集卡)作为励磁电压的数字输入通道,采用PCL 728作为发电机A 相电压的模拟输出通道.这样通过数据采集卡就可以很方便地与实际的励磁控制器结合起来,进行控制器的闭环实时仿真测试.因为PCL 728的D/A 输出范围为-5~+5V,为了使A 相电压在这一范围完整地输出,可在电压测量元件输出端口加适当的比例环节.同时,如果要测量其他参数,可在发电机m_pu 端口加入测量模块Measurem ent De mux,可对发电机的三相电流、角速度、输出功率等参数进行观察.Simulink 模型如图2所示.

6 XPC 目标应用程序的创建和下载

6 1 仿真参数的设置

在Simulink 模型中,仿真和实时运行参数都可在Simulation Parameters 对话框中设置,主要包括Solver 、Workspace I/O 、Diagnostics 、Real Time Work

张江滨,等∀构建基于XPC 目标的实时仿真测试系统