VMIC5565，PCI5565反射内存和xPC下的分布式实时仿真与测试系统设计

VMIC5565，PCI5565反射内存和xPC下的分布式实时仿真与测试系统设计 黄　誉，王新民，姚从潮 （西北工业大学自动化学院，西安　７１０１２９） 摘要：提出了一种基于PCI5565反射内存网和ｘＰＣ的分布式半物理实时仿真与测试系统；采用ｘＰＣ建立实时环境，通过PCI5565反射内存卡组成实时网络，由ＡＤ、ＤＡ、ＤＩ／Ｏ、ＲＳ４２２等板卡组成信号采集与处理系统，来实现控制系统的快速原型化和硬件在回路仿真与测试；详细介绍了系统的功能及分布式布局设计，测试系统设计，ｘＰＣ环境下Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ的编写、ＰＣＩ总线的基本概念以及ｘＰＣ环境下编写驱动的关键问题，在此基础上实现了测试系统板卡在ｘＰＣ环境下的驱动开发；最终实现了半物理仿真与测试系统的集成；仿真结果表明，板卡都能稳定工作，系统通讯稳定，数据误差小，具有较强的开放性和参考性。 关键词：仿真与测试系统；PCI5565反射内存网；ｘＰＣ；驱动开发；分布式; PCI-5565 ０　引言 半物理仿真又称硬件在回路仿真对于系统的设计和控制律验证是必不可少的。它是一种在仿真系统中接入实物，以取代替相应部分的数学模型的仿真。在进行半物理仿真以及测试时与硬件相互通讯的Ｉ／Ｏ板卡是必不可少的，而且数据的交换要求具有强实时性。PCI5565反射内存网（REFLECTIVE MEMORY） 是一种有效基于共享存储器技术，具有严格的传输确定性和可预知性是一种有效的实时通信解决方案。一个先进的系统需要同时具备半物理仿真，硬件在回路实时测试，实时通信三大功能时。而且需要实现在进行半物理仿真的同时进行对硬件的实时监测，那么测试系统就需要与仿真系统相互交联。本文对基于VMIPCI5565和ｘＰＣ环境下如何建立分布式的半物理仿真和测试系统分别进行了研究，对研究过程中的难点进行重点阐述，最总将两个系统进行集成，并通过在某飞控半物理实时仿真与测试中的成功应用，验证了方案的可行性。１　飞控实时仿真与测试系统总体设计 １．１　系统总体功能设计 飞控实时仿真与测试系统针对飞控系统设计开发的需要而建，提供飞控系统半物理仿真环境，能够对整个飞控系统进行半物理综合试验：包括飞控系统接口兼容性试验、静态特性试验、动态特性试验、故障模式影响试验、机内自检测试验，与其他系统交联试验等。具备对飞控系统设备部件的验收和测试，具有飞控计算机、飞控放大器、姿态传感器、速率陀螺组、伺服作动器、飞控操纵台等开环检测功能。能够进行人在回路的飞行仿真试验。 １．２　系统总体方案设计 飞控实时仿真与测试系统的基本结构如图１所示，由图可知系统采用分布式网络结构，构建一个通用的飞控实时仿真及测试环境。系统可分为３个分系统。 （１）仿真系统：为系统的主体部分之一，突破传统的一对一Ｈｏｓｔ－Ｔａｒｇｅｔ模式实现了一对多的模式，完成控制律的设计，模型的搭建与下载管理，各部件的数学模拟，进行实时仿真以及半物理仿真，包括仿真主计算机、仿真目标计算机。 （２）测试系统：为系统的主体部分之一，完成实时半物理仿真时的信号采集与处理和信号转换功能，实时检测时对硬件进行检测。包括信号转化计算机、信号转化控制计算机、信号调理机箱、接线盒及附件（包括工作台、机柜、电源、电缆等）。 （３）模拟座舱及仪表系统：是仿真中用户和系统可以交互的设备，使系统可支持人在回路的飞行仿真试验，操纵人员可 通过驾驶盘、脚蹬、油门等对飞机进行操纵控制，并通过虚拟仪表显示，对飞机的参数进行监控。 图１　系统总体结构图 ２　实时仿真与测试系统实现 ２．１　实时仿真系统 实时性是半物理仿真中最需要关注和最重要的特性。作为一个通用的仿真系统，采用一套可靠、成熟且易于实现的操作系统是本系统稳定运行的关键。飞行控制系统作为一种强实时性系统，其相应的仿真必须是实时仿真。Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司开发的Ｍａｔｌａｂ及其工具箱ＲＴＷ（Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）为实时仿真提供了一体化的解决方案。本系统构建时引入分布式布局的思想，不同于传统一对一的宿主机－目标机模式，设计一对多的分布式模式。基本结构如图２所示。采用ＲＴＷ－ｘＰＣ作为实时仿真的框架（仿真主计算机－仿真目标计算机模式），在半物理仿真系统中，飞机无法以物理部件的形式出现，为了保证实时性，飞机模型需要运行在实时仿真目标机上。同时，飞控系统中其他部件的实现方式均有物理和数字两种方式。当缺少该部件时，可借助实时操作系统保证部件模型仿真的实时性，将运行该代码的仿真目标计算机代替真实部件在半物理仿真系统中的位置。物理信号和数字信号之间的转换以及物理部件在系统中的接口均是通过信号转化计算机实现的。 ２．２　实时网络设计 飞控计算机每１０ｍｓ读取一帧数据，这要求仿真测试系统的仿真周期远小于１０ｍｓ，因此，系统用于通讯的时间必须尽可能小。PCI5565反射内存网作为一种快速的实时网络，实时性强、可靠性高、使用简单，通常两结点数据传输时延迟为纳秒级或微秒级，比通用局域网快２个数量级，可以有效降低通讯时间。本方案中，PCI5565反射内存网的拓扑结构与仿真测试系统的分布 式结构易于结合。将仿真测试系统中的每个控制计算机作为PCI5565反射内存网的一个节点，每个节点配备一块美国ＧＥ公司的VMIPCI-5565反射卡作为强实时通讯接口。所有节点通过 ＧＥ公司的智能型ＨＵＢ VMIACC-5595接入局域网，实现数据交互。这一方案不对XPC系统本身做任何修改，使系统获得微秒级的实时特性，并且可以完全利用ｘＰＣ平台的优点构成一个基于PCI5565反射内存网通讯的测试仿真系统。PCI5565反射内存网连接示意图如图３所示。 图３ PCI5565反射内存网的连接示意图 ２．３　实时测试系统设计中关键问题研究 本系统中选用ｘＰＣ来实现测试系统的操作系统，那么在这个系统下对板卡的操作就显得尤为重要，也是测试系统与仿真系统融合的难点所在。测试机箱里Ｉ／Ｏ板卡为ＡＤＬＩＮＫ的ＰＣＩ－９１１４Ａ作为模拟量采集卡（ＡＤ），ＰＣＩ－６２０８Ｖ为模拟量输出卡（ＤＡ），ＰＣＩ－７４４２作为ＤＩ／Ｏ板卡。数据的传递采用ＧＥ的PCI5565反射内存卡ＰＣＩ－５５６５及ＲＳ４２２板卡ＱＳＣＬＰ２００－３００。其关键点就在于如何在ｘＰＣ环境下让这些板卡正常工作。文章详细介绍ｘＰＣ环境下板卡驱动编写要点。（１）Ｉ／Ｏ板卡接口及访问方式 ｘＰＣ目标中识别ＰＣＩ板卡有２种方式：通过Ｖｅｎｄｏｒ　ＩＤ、Ｄｅｖｉｃｅ　ＩＤ（生产商编号、设备编号）和通过总线和插槽号。第一种方法更便于驱动程序的终端用户的使用，这是因为驱动程序能根据比编号自动查找ＰＣＩ板卡。每一个ＰＣＩ设备制造商都有一个唯一的１６位制造商识别号ＶｅｎｄｏｒＩＤ，同样的各个制造商为他们生产的每一款板卡分配了一个唯一的１　６位设备识别号ＤｅｖｉｃｅＩＤ。因此通过ＶｅｎｄｏｒＩＤ和ＤｅｖｉｃｅＩＤ这两个编号就能自动Ｐ　Ｃ　Ｉ板卡并返回其Ｐ　Ｃ　Ｉ结构空间［３］。可以利用函数：ｒｌ３２ｅＧｅｔＰＣＩＩｎｆｏ（（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ）ｖｅｎｄｏｒＩＤ，（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ）ｄｅｖｉｃｅＩｄ，＆ｐｃｉＩｎｆｏ）和ｂａｓｅａｄ＝ ｐｃｉＩｎｆｏ．ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓ ［＊］ 获取设备的基地址，并根据设备使用手册中提供的寄存器定义，通过对寄存器的读写来完成各种所需的功能。 （２）Ｉ／Ｏ板卡地址映射方式 Ｉ／Ｏ板卡地址映射方式有两种：内存映射和Ｉ／Ｏ映射。根据设备提供的用户使用手册及相应的ＰＣＩ芯片数据手册，确定好板卡的映射方式。如果是Ｉ／Ｏ映射方式，则在编写驱动时需调用“ｉｏ＿ｘｐｃｉｍｐｏｒｔ．ｈ”中的Ｉ／Ｏ读写函数对板卡寄存器进行操作。函数见表１。 表１　Ｉ／Ｏ空间读写函数 Ｉ／Ｏ空间的读写函数 命令含义ｕｉｎｔ３２＿Ｔ　ｒｌ３２ｅＩｎｐＤＷ（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｐｏｒｔ）读３２位的双字ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｒｌ３２ｅＩｎｐＷ（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｐｏｒｔ）读１６位的字ｕｉｎｔ８＿Ｔ　ｒｌ３２ｅＩｎｐＢ（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｐｏｒｔ）读８位的字节ｖｏｉｄ　ｒｌ３２ｅＯｕｔｐＤＷ（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｐｏｒｔ，ｕｉｎｔ３２＿Ｔ　ｖａｌｕｅ）写３２位的双字ｖｏｉｄ　ｒｌ３２ｅＯｕｔｐＷ（ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｐｏｒｔ，ｕｉｎｔ１６＿Ｔ　ｖａｌｕｅ）写１６位的字ｖｏｉｄ　ｒｌ３２ｅＯｕｔｐＢ（ｕｉｎｔ８＿Ｔ　ｐｏｒｔ，ｕｉｎｔ８＿Ｔ　ｖａｌｕｅ）写８位的字节驱动程序通过这些函数对板卡寄存器进行操作。板卡寄存器由设备使用手册中给定，通常为：“基地址＋偏移量”。 （３）内嵌与非内嵌式设备驱动 内嵌是在应用程序中生成例程的显式代码，消除了调用过程的开销，提高了性能却大大增加了开发和维护的开销；非内嵌是基于例程的调用，编写灵活方便，移植性好，因而得到了广泛的使用。本文编写的为非内嵌式设备驱动。 ３　仿真结果与分析 ３．１　驱动测试仿真模型搭建 以凌华ＰＣＩ－６２０８Ｖ和ＰＣＩ－９１１４Ａ为例，进行驱动测试。ＡＤ板采４路电压，其中３和４两路送入ＤＡ板进行ＤＡ转换，ＤＡ板进行４路ＤＡ转换仿真模型如图４所示。 图４　驱动测试仿真模型 ３．２　驱动测试仿真结果分析 驱动仿真中，ＡＤ板卡采集思路电压值为：ＡＩ０（＋３．２８Ｖ）、ＡＩ１（＋２．４５Ｖ）、ＡＩ２（＋５．０２Ｖ）、ＡＩ３（－２．４８Ｖ）。其中，ＡＩ２与ＡＩ３作为ＤＡ板卡的输入信号进行ＤＡ转换，ＤＡ板卡的ＡＯ０转换１０Ｖ／１０Ｈｚ的方波信号，ＡＯ１转换５Ｖ／１０Ｈｚ的真弦波信号，ＡＯ２，ＡＯ３来源于ＡＩ２，ＡＩ３。仿真结果如图５所示。 图５　ＤＡ转换结果 ＡＤ采样结果分析如表２。表２表明在本文自行开发的驱动下。ＡＤ板卡在ｘＰＣ环境下工作正常，采样误差均在５‰范围之内。ＤＡ板卡转换结果参见图６（示波器截图）。图中ＣＨ１采集显示ＤＡ板卡的ＡＯ０（１０Ｖ／１０Ｈｚ）的方波，ＣＨ２采集显示ＤＡ板卡的ＡＯ１（５Ｖ／１０Ｈｚ）的正弦波，ＣＨ３采集显示ＤＡ板卡的ＡＯ２ （＋５．０２ Ｖ），ＣＨ４采集显示ＤＡ板卡的ＡＯ３（－２．４８Ｖ），由图六中的波形采集结果可表明，ＤＡ板卡在本文自行开发的驱动下，板卡在ｘＰＣ环境下工作正常，误差小，波形连续，光滑，无畸变。 ３．３　实时仿真结果分析 以某型飞行器非线性模型为被控对象，做协调转弯分布式数字仿真和转台在回路的半物理仿真。给定初始高度为２　０００ｍ，初始速度为２００ｍ／ｓ。模型封装如图７，接入转台半物理仿真速度仿真结果如图６所示。 图６　硬件在回路实时仿真速度仿真结果 本文构建的分布式实时仿真结果和硬件在回路仿真的结果表明，在给定飞行初始值的情况下，飞机速度最终稳定在２００ｍ／ｓ，飞行高度误差为２ｍ，侧滑角误差很小，近似于０，调 节过程平稳无剧烈变化。实时仿真波形连续，无畸变。 ４　结束语 本文构建的仿真与测试系统实现了分布式仿真思想和实时仿真技术，使用PCI5565反射内存网络技术不仅克服了传统局域网数据传输的缺点，而且在数据传输速度和处理速度上有了显著提高，测试系统采用ｘＰＣ作为操作系统，实现了测试系统与仿真系统融为一体。实现了自定义Ｉ／Ｏ板卡的驱动开发，解决了ｘＰＣ工具箱自带驱动不足的问题。测试结果表明，所开发的驱动程序稳定可靠，数据误差小，可移植性好。系统已经在工程投入了应用。实践表明本系统具有设计合理，通信稳定，数据（４）根据支持向量机预测模型对系统未来状态的预测结果进行残差阈值检验，做出故障预报。在ｌｉｂｓｖｍ－３．１１软件［８］的基础上，利用ε－ＳＶＲ算法进行预测。默认核函数为径向基核函数，Ｃ和径向基宽度γ 进行反复交叉比对测试，预测精度用均方误差Ｍｓｅ表示： Ｍｓｅ＝ １ｌ Σｌ ｉ＝１ ｆ（ｘｉ）－ｙｉ ２（９） 某单格电压预测曲线如图５所示。图中○表示实际值，△ 表示预测值。 图５　单格电压预测曲线 对单格电压数据训练，最终确定Ｃ＝８９．７７，γ＝０．０１２，训练集Ｍｓｅ＝０．００３２，测试集Ｍｓｅ＝０．００４９。总电压预测曲线如图６所示。对总电压数据训练，最终确定Ｃ＝９７．６６，γ＝０．０１１，训练集Ｍｓｅ＝０．００３７，测试集Ｍｓｅ＝０．００３５。图６　总电压预测曲线对温度数据训练，最终确定Ｃ＝８９．８４，γ＝０．０１４，训练集Ｍｓｅ＝０．００４２，测试集Ｍｓｅ＝０．００２５。预测曲线如图７所示。由系统运行界面和预测曲线可以看出，系统能实时显示各监测单元数据，并准确地预测参数变化趋势，实现故障早期（４）根据支持向量机预测模型对系统未来状态的预测结果进行残差阈值检验，做出故障预报。在ｌｉｂｓｖｍ－３．１１软件［８］的基础上，利用ε－ＳＶＲ算法进行预测。默认核函数为径向基核函数，Ｃ和径向基宽度γ 进行反复交叉比对测试，预测精度用均方误差Ｍｓｅ表示： Ｍｓｅ＝ １ｌ Σｌ ｉ＝１ ｆ（ｘｉ）－ｙｉ ２（９） 某单格电压预测曲线如图５所示。图中○表示实际值，△ 表示预测值。 图５　单格电压预测曲线 对单格电压数据训练，最终确定Ｃ＝８９．７７，γ＝０．０１２，训练集Ｍｓｅ＝０．００３２，测试集Ｍｓｅ＝０．００４９。总电压预测曲线如图６所示。对总电压数据训练，最终确定Ｃ＝９７．６６，γ＝０．０１１，训练集Ｍｓｅ＝０．００３７，测试集Ｍｓｅ＝０．００３５。 图６　总电压预测曲线 对温度数据训练，最终确定Ｃ＝８９．８４，γ＝０．０１４，训练集Ｍｓｅ＝０．００４２，测试集Ｍｓｅ＝０．００２５。预测曲线如图７所示。由系统运行界面和预测曲线可以看出，系统能实时显示各监测单元数据，并准确地预测参数变化趋势，实现故障早期