基于xPC系統的硬件在環仿真平臺研究

賈秀娟 王鵬

摘? 要：該文以Mathwork公司設計的MATLAB/Simulink Real-Time軟件為實時仿真環境，以xPC雙機仿真系統作為實時仿真硬件開發平臺，提供了一種可以用于硬件在環仿真研究的平臺方案，該方案使用目標機實時內核運行仿真模型，從而對外部控制系統中控制策略進行測試。同時，利用北京華海科技公司研制的Rapid-ECU作為外部控制系統，對試驗平臺的實時數據交換功能進行了驗證，驗證結果表明，外部控制系統可以與目標機之間完成實時通信，且無數據丟失與延遲。該硬件在環仿真平臺為半實物仿真研究提供了思路。

關鍵詞：硬件在環仿真? 控制策略? xPC雙機系統

中圖分類號：TP273 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0017-02

硬件在環仿真是一種實時仿真方式，相對于計算機仿真而言，其保證了仿真過程實時性，更加符合實際試驗效果，同時易于實現，價格成本低，多用于企業控制系統產品V型開發，對此，該文提供了一種硬件在環仿真平臺方案。

1? xPC雙機系統

xPC實時仿真試驗平臺主要包括宿主機、目標機、通信連接設備以及外部控制系統4個部分。該文中的xPCTarget實時仿真系統中配備有兩臺普通PC機，分別作為宿主機與目標機。其中，宿主機內部安裝MATLAB R2015b版本軟件，C語言編譯器為Visual Studio 2010;目標機使用Windows XP/DOS7.1雙系統，配置有空閑串口和型號為RTL8168以太網絡適配卡。目標機與宿主機通信方式選用網絡通信（TCP/IP）[1]，分別將目標機、宿主機IP地址設置為同一網段，通過交叉線型以太網電纜直接連接即可實現通信。

目標機需建立啟動盤調用目標機實時內核。在XP系統中安裝DOS7.1版本系統，并將部分硬盤以FAT格式重新分區后直接作為啟動盤硬件。在MATLAB命令窗口輸入“xpcexplr”命令，啟動Real-Time窗口，并對目標機IP地址、子網掩碼等信息進行設置，設置完成后點擊“Creat boot disk”按鈕生成目標機啟動文件，將啟動文件復制至目標機啟動盤。開機后進入DOS系統，輸入“C：”命令切換至C盤符，并輸入“autoexec”目標機即可進入實時仿真運行界面。

2? 硬件在環仿真試驗平臺

設計硬件在環仿真試驗平臺如圖1所示[2]。測試時，將被測控制策略下載至外部控制系統硬件中，作為外部控制系統，通過xPC硬件在環試驗平臺完成仿真模型的實時運行、控制系統與仿真模型的實時數據通信以及控制系統控制結果驗證。

根據圖1所示原理，硬件在環仿真試驗平臺方案中，將Rapid-ECU作為外部控制系統，通過CAN-A總線與協議轉換器CAN端口相連，同時，將目標機主板串口與協議轉換器RS232端口連接，從而實現了目標機與Rapid-ECU之間的實時通信硬件連接;將控制系統CAN-C總線經USB-CAN與宿主機連接，通過宿主機中Meca軟件可以對Rapid-ECU中實時狀態參量進行監控與數據存儲。

3? 硬件在環仿真試驗平臺通信驗證

進行硬件在環試驗之前，需要對目標機及控制系統實時通信功能進行測試。由于Rapid-ECU硬件電路中未配置RS232串口通訊功能，所以試驗中通過宇泰UT-2506-RS232-CANBUS智能協議轉換器將控制系統使用的CAN總線通信協議與PC主板串口的RS232通信協議相互轉換，從而使目標機與外部控制器完成數據通信。試驗中將協議轉換器控制系統側CAN總線波特率設置為500kbps，RS232串口波特率設置為115200bps，轉換時CAN報文時自動添加ID“00 00 00 01”，設置過濾驗收碼，只轉換ID為“00 00 00 02”的CAN報文。

協議轉換器設置完成后，外部控制系統使用CAN總線協議進行通信，利用Rapid-ECU模型庫中的CAN Receive模塊與CAN Transimit模塊完成數據的接收與發送，設置CAN A總線的0、8Buffer接收和發送報文ID為“00 00 00 01”及“00 00 00 02”、數據長度為8的標準幀。

目標機應用模型中，通信模型使用Simulink Real-Time/RS232/Mainboard模型庫中RS-232 Send/Receive FIFO模塊，該模塊使用主板串行端口完成字符和二進制數據流發送和接收，由于其接收到的數據以FIFO數據塊形式傳播，無法直接被模型使用，需要配合FIFO Read BINARY模塊完成二進制數據的讀取，通過查找標記數據的唯一字節序列（Header）來標識和分離FIFO的數據塊，輸出十進制數據，搭建目標機RS232串口通信模型。

測試前，對RS-232 Send/Receive FIFO模塊進行設置，目標機上串口為COM1口，修改模塊內基地址為0x3F8;FIFO Read BINARY設置模塊內Header為“{（30，01）}”，每幀讀取數據長度為7位，1終止位，采樣時間為50ms。將串口通信模型中Solver設置為定步長50ms，在代碼生成一欄中選擇slrt.tlc文件，并將模型仿真模式選擇外部仿真模式。設置完成后，在SimulinkReal-Time窗口中點擊連接鈕與宿主機連接，在模型運行窗口點擊代碼生成，Simulink通過VS2010編譯器對模型進行C代碼轉換，同時將應用程序自動下載至目標機中。

硬件在環仿真試驗平臺中控制系統以及目標機通信功能建立完成后，利用CAN總線及RS232串口通信模型對硬件在環試驗平臺通信功能進行測試。控制系統與目標機均能正確接收對方發送的數據幀，并且接收過程中無丟幀、延時現象。綜上所述，控制系統和目標機能夠進行實時的數據交換，形成完整的閉環通信，從而實現硬件在環仿真試驗。

參考文獻

[1] 楊滌.系統實時仿真開發環境與應用[M].北京：清華大學出版社，2002：97-103.

[2] 張良.基于xPC Target的汽車ESP硬件在環仿真試驗臺的開發[D].吉林大學，2009.

[3] Bi YL，Yang D.Development of Interface Card Drivers Based on Matlab/xPC Target[J].Key Engineering Materials，2014（620）：563-568.