基于PXI的實時仿真測試系統構建技術研究

摘 要：首先對基于PXI總線控制器的實時系統的構建方法進行分析，在此基礎上研究了系統平臺構建、應用程序開發等，最后通過工程實例-衛星姿軌控仿真系統的開發對上述方法的可行性和有效性進行了實驗驗證。結果表明仿真系統具有定時精度高、開發周期短、系統升級方便等特點，同時還能實現從數學仿真到半物理/物理仿真的無縫升級，可廣泛應用于航空航天等眾多領域的仿真系統開發。

關鍵詞：PXI總線，LabView Real-Time（LRT）實時模塊，實時系統，仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

1 引言

在航天器等大型電子設備的開發和研制過程中，各類仿真系統（如數學仿真系統、半物理/物理仿真系統等）是必不可少的重要輔助工具。它們主要用來對軟件代碼、電氣接口、通信協議等進行仿真和測試，以便及時發現存在的問題并加以改進，提高整個系統的可靠性。

目前各種數學仿真系統和半物理/物理仿真系統通常是相對獨立地進行開發[1]。根據研制任務的需要，通常首先是基于各種簡單的平臺快速完成數學仿真系統的構建和開發，實現對軟件算法的仿真和測試[2]，然后再進行半物理/物理仿真系統的研制，以完成電氣接口、各部件間通信協議等內容的仿真和測試[3，4，5]。這種相對獨立的開發方式導致了整個仿真系統開發成本較高、研制周期較長、仿真系統間技術繼承性較差，越來越難以滿足航空航天等領域的快速研制需求。

為此，本文將對基于PXI總線技術的仿真系統構建方法進行系統研究，解決從數學仿真到半物理/物理仿真系統開發的繼承性問題，以提高仿真系統的開發效率，減少研制費用，特別是縮短研制周期，為各類電子設備的快速研制提供重要保障。

2 基于PXI總線技術的實時仿真系統構建

2.1 數學仿真系統構建

基于PXI總線技術的基本測試平臺通常由一臺PXI總線機箱、一塊PXI總線控制器及多塊接口模塊和儀器模塊構成。其中機箱用于安裝總線控制器及各種接口模塊和儀器模塊；總線控制器即為一臺計算機系統，用于對該機箱內的各接口模塊和儀器模塊進行控制，完成各種測試功能；接口模塊主要用來和外界對應的接口系統進行通信；儀器模塊主要用來完成相應的儀器處理功能。對于大型復雜測試系統則可由多套基本測試平臺共同構建。

對于數學仿真系統而言，其硬件平臺基本需求為數據處理系統（計算機系統）及相應的通信接口，用于軟件代碼的運行和數據傳送。PXI總線控制器即為一臺計算機系統，可以運行相關操作系統，如Windows、LRT實時模塊等，同時它還可以通過其主機箱上的各種接口模塊和其他系統進行接口通信，以實現各系統間的數據和指令通信。因此，基于PXI總線測試系統便可構建各類數學仿真系統，其基本結構如圖1所示。基于PXI總線技術的數學仿真系統具有硬件平臺構建方便、通信接口模塊眾多、程序開發效率高、系統繼承性好等特點。

2.2 半物理/物理仿真系統構建

基于PXI總線技術，還可以構建各種半物理/物理仿真系統，其基本結構如圖2所示。對于各類半物理/物理仿真系統而言，需要接入各部件的原型樣機、電性件、電模擬器等，以完成對電氣接口、通信協議等的仿真和測試。基于PXI總線技術的硬件平臺可以通過各種通信接口方便的接入各部件的原型樣機、電性件及電模擬器，完成半物理/物理仿真系統的構建。基于PXI總線技術的半物理/物理仿真系統具有硬件平臺構建方便、程序開發效率高、修改升級方便、測試功能強大等特點。

2.3 基于PXI的仿真系統構建關鍵技術分析

對于仿真系統而言，其控制器的操作系統實時性是一項關鍵內容。因為操作系統的實時性決定了整個仿真系統的實時性，最終決定了該系統能否有效的進行仿真應用。通常，反映仿真系統實時性優劣的主要技術指標是控制器操作系統的定時精度，即操作系統能夠控制的最小時間單位，如Windows操作系統的定時精度為1ms-5ms左右，定時精度較差。它只能滿足一般的仿真應用，對于實時性要求較高的場合則難以適用。因此，為了保證基于PXI總線技術的仿真系統具有較廣泛的實用性，必須解決PXI總線控制器的操作系統的實時性問題，以保證其定時精度滿足通常應用之需。

PXI總線控制器本質上即為一臺計算機系統，它能夠運行Windows操作系統，也可以運行LRT實時軟件模塊。其中Windows操作系統的定時精度為1ms-5ms，而LRT實時軟件模塊的定時精度為1us，能夠滿足通常的仿真應用。

下面將對基于PXI總線控制器的LRT實時系統構建方法進行系統分析，以便為基于PXI總線技術的實時仿真系統開發奠定基礎。

3 基于PXI的LRT實時系統平臺構建

PXI總線控制器常規配置的操作系統為Windows，可滿足大多數測試系統開發需要。但它也支持LRT實時模塊的安裝，以提高控制器的實時性和定時精度。為了便于LRT實時軟件模塊的安裝，其BIOS內置有相應的LRT安裝引導程序。

通常，將通過網線和PXI總線控制器相連接的基于Windows的PC機稱為其上位機，同時將該PXI總線控制器稱為目標機。在對PXI總線控制器進行LRT實時模塊安裝之前，需要在其上位機上安裝相關應用軟件，主要包括Max、LabView、PXI硬件模塊驅動程序、ETS軟件模塊等，以便于LRT實時模塊的安裝。安裝過程說明如下。

3.1 安裝準備—C盤格式化

通常可以通過兩種方式對C盤進行格式化處理，一種是通過軟驅對C盤進行格式化，將PXI總線控制器的BIOS設置成Use HardWare Switch/設置啟動順序（軟驅啟動優先）即可；另一種是通過上位機中的Max對C盤進行格式化，將PXI總線控制器的BIOS設置成LRT Safe Mode模式，然后在上位機的Max中右鍵點擊0.0.0.0，選擇Format Disk項即可對C盤進行格式化。

3.2 LRT實時模塊安裝

在其LRT Safe Mode模式下，可在上位機的Max軟件中對目標機的名稱、IP地址等進行設置。IP地址等信息填寫好后，點擊Apply按鈕，以便使設置的目標機IP地址等信息在重新啟動PXI總線控制器后生效。重新啟動PXI總線控制器后，LRT實時軟件模塊便安裝成功。接下來還需要安裝相關應用軟件和驅動程序，以便于運行用戶所開發的應用程序。

3.3 應用軟件安裝

在上位機Max軟件中，右鍵點擊Software項，選擇Add/Remove Software，然后選中相應的軟件，按指示即可完成安裝。各應用軟件安裝完成后，在Software目錄下即可出現各軟件目錄。

至此，便完成了基于PXI總線控制器的LRT實時軟件模塊及相關軟件的安裝工作。

4 LRT實時系統應用程序開發

基于PXI總線控制器的 LRT實時系統應用程序的開發方式與基于通用PC機的LRT實時系統的應用程序開發方式本質相同，采用交叉開發方式，即通過其上位機對其應用程序進行開發，并將編譯后的應用程序下載到目標機上運行[3]，其結構如圖3所示。

上位機運行WindowsXP操作系統，并安裝LabView應用程序開發環境。基于LabView所開發的應用程序經編譯后可通過TCP/IP網絡下載到目標機上運行，并能對目標機中應用程序的運行狀態進行實時監測，其硬件結構如圖4所示。

5 基于PXI的LRT實時系統通信接口分析

在利用基于PXI總線技術的LRT實時系統構建各類仿真系統時，同樣需要實現PXI總線控制器與其他系統（如通用PC機、電模擬器、部件原型樣機等）之間的數據、控制信號等的通信。由于PXI總線系統可以方便的配置各種接口模塊，因此可以按照其他系統的接口需要（如：RS422/485、CAN等）選擇合適的接口模塊實現接口通信。

6 應用實例—衛星姿軌控仿真系統開發

下面利用基于PXI總線控制器的LRT實時系統來開發一套衛星姿軌控仿真系統，對姿軌控系統的姿態控制算法等進行仿真測試，以驗證基于PXI總線控制器的LRT實時系統的構建方法、應用程序開發方法等的可行性和有效性。

6.1 仿真系統需求分析

衛星姿軌控仿真系統主要由動力學仿真系統、敏感器仿真系統、星載機仿真系統、執行部件仿真系統四大部分構成，這四個系統之間互相關聯，每個仿真系統的正常運行都需要其他仿真系統的運算結果作為其輸入參數，四個仿真系統共同構成大系統閉環，其中姿軌控控制程序運行于星載機仿真系統上。該仿真系統數據流圖如圖5所示。

6.2 仿真系統開發研制

6.2.1 硬件系統構建

衛星姿軌控仿真系統硬件結構主要由基于PXI總線技術的動力學仿真系統、基于通用PC機的敏感器仿真系統、基于通用PC機的星載機仿真系統、基于通用PC機的執行部件仿真系統四部分構成，具體結構如圖6所示。

6.2.2 通信接口設計

上述四個分系統之間的數據通信是通過CAN總線接口進行的。在上述硬件結構設計的基礎上，基于PXI總線技術的衛星姿軌控仿真系統的通信結構如圖7所示。

基于PXI的動力學仿真系統用一個CAN總線接口進行數據發送，用另一個CAN總線接口用于數據接收，基于通用PC機的敏感器、星載機及執行部件仿真系統各自用一個CAN總線接口進行數據的發送和接收。這四部分之間CAN總線通信結構采用總線形式，這樣設計是為了后續系統結構改變和功能升級的方便，即此總線型CAN總線結構能夠方便的增加或減少節點，而不會對總線上其他節點產生影響。基于上述硬件結構和通信結構所構建的衛星姿軌控仿真系統硬件實物圖如圖8所示。

6.2.3 應用程序開發

基于上述硬件結構和通信方式，下面將分別對四個分系統進行應用程序開發。

基于交叉開發方式，利用LabView軟件開發環境所開發的動力學仿真系統應用程序測試面板如圖9（a）所示，利用基于Windows操作系統的LabView軟件開發環境所開發的其他三個仿真分系統的應用程序測試面板如圖9所示。

6.3 仿真系統實驗驗證

衛星姿軌控系統的姿態控制軟件算法的理論控制曲線如圖10，該控制算法在基于LRT實時系統所構建的衛星姿軌控仿真系統上運行的曲線如圖11。由于篇幅的關系，這里僅對星敏感器曲線和星體姿態角速度曲線進行比較。

通過對上述理論仿真曲線和實際運行曲線的比較，不難看出基于LRT實時系統所構建的衛星姿軌控仿真系統能夠有效的對姿態控制軟件算法進行實時仿真和測試，從而驗證了該套系統的有效性，進而驗證了基于PXI總線控制器的LRT實時系統構建仿真系統的可行性和有效性。

7 結論

本文對基于PXI總線技術的仿真系統構建方法進行了系統研究，在此基礎上，對基于PXI總線控制器的實時系統構建及應用程序開發進行了分析，并通過工程實例—衛星姿軌控仿真系統的開發對上述方法的可行性和有效性進行了實驗驗證。

研究結果表明PXI總線技術可以用來有效的構建各種仿真平臺，并具有定時精度高、開發周期短、系統升級方便等特點，同時還能實現從數學仿真到半物理/物理仿真的無縫升級，在航空航天等領域具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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