CN100507853C - 双内核半实物仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的双内核半实物仿真系统的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU上，在CPU内部进行通讯。控制主机和目标机在同一台计算机上，集成度高，适合便携式使用，控制主机与目标机之间不需要外部通讯接口，提高了全系统的可靠性。减少了CPU板卡全系统的可靠性指标得到了提高；很容易实现控制主机的程序与目标机的实时程序进行安全的同步等某些紧密耦合操作与某些交互式仿真控制算法。
Description
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种双内核半实物仿真系统。
背景技术
在仿真技术领域多用硬件设备与真实物理系统连接完成仿真过程。而半实物仿真系统，顾名思义就是用软件仿真程序代替部分硬件，与真实物理系统协同工作的计算机系统。由于真实的物理系统运行有其自身的特定行为特征，软件仿真程序要与真实的物理系统协同运行，必须使软件运行也能确保与真实物理系统的工作时间特性保持一致，这种软件运行称为实时软件。实时软件的概念就是要求软件运行按照实际的时间序列运行。举例说明：半实物仿真机与一个电动机连接，用软件控制电机转速，当电机转速发生细微变化时，控制软件必须在该电机实际运转的时间序列内完成对电机转速的采集处理和控制输出。控制软件运行过程既不能超前，也不能延后，这种方式就称为实时控制。
半实物仿真计算机就是采用这种半实物的工作方式，为使用者提供实时控制软件的开发、研究和仿真试验的平台。仿真模型的建模可由用户自行编程或用专门的仿真建模工具软件辅助建模。目前国内外广泛使用的仿真建模工具软件有美国MathWorks公司的MatLab/SimuLink。
半实物仿真计算机系统功能上分为两个部分：一个是用于开发和建模工具软件运行的仿真控制主机。仿真控制主机提供人机界面，可以进行图形化的建模开发，编程，调试。仿真控制主机通常运行Windows类型的桌面计算机操作系统。半实物仿真机的另一个部分，是运行实时控制软件的实时目标机。使用者在仿真控制主机上完成建模，编程或程序生成后，需要将最终的仿真程序代码编译成实时目标机的代码，最后加载到实时目标机上运行。目标机在仿真运行的过程中，通过各种转换接口与真实物理系统交互，仿真控制主机则为使用者提供目标机在线监控，设备驱动管理，仿真数据回传和分析等功能。
传统半实物仿真计算机系统，仿真控制主机和实时目标机都是分离的两个独立计算机，这是因为普通的Windows桌面操作系统，缺乏有效的实时响应和实时处理能力。Windows环境下通常只适合程序开发、运行建模工具软件等事务型处理，由于技术原因，Windows自身无法确保毫秒以下的实时响应和处理能力，响应时间不可预测。因此，通常的半实物仿真机系统都需要一台独立的计算机，作为实时目标机，该目标机运行实时操作系统(如VxWorks，pSOS，QNX等嵌入式实时操作系统)，来支持实时仿真程序的运行和设备管理。
这种分离式体系结构存在某些缺陷，不能满足一些特定用户的需求。这些缺陷有：
1.集成度低，不适合便携式使用
2.控制主机与目标机之间需要外部通讯接口，外部通讯接口的故障也同时降低了全系统的可靠性。
3.控制主机和目标机是两套独立系统，CPU板卡增多导致全系统的可靠性指标降低。
4.控制主机和目标机分离，控制主机的程序难以与目标机种实时程序进行安全的同步等某些紧密耦合操作，某些交互式仿真控制算法难以实现。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种双内核半实物仿真系统，控制主机和目标机在同一台计算机上，集成度高，适合便携式使用，控制主机与目标机之间不需要外部通讯接口，提高了全系统的可靠性。减少了CPU板卡全系统的可靠性指标得到了提高；很容易实现控制主机的程序与目标机的实时程序进行安全的同步等某些紧密耦合操作与某些交互式仿真控制算法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种双内核半实物仿真系统，包括仿真控制主机与实时控制目标机、人机界面建立与控制仿真控制主机，仿真控制主机通过实时控制目标机控制真实物理系统；仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU上，在CPU内部进行通讯。
所述的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU的具体方法是：
A、将内存分为相互隔离的两部份，分别为低段内存与高段内存；
B、主机操作系统运行于低段内存，实时操作系统运行于高段内存；或者，主机操作系统运行于高段内存，实时操作系统运行于低段内存。
所述的步骤A包括：通过实时事件分配组件的软件对CPU自身的存储管理单元MMU编程，将内存分为相互隔离的两部份。
所述的实时事件分配组件还负责识别实时与非实时的外部事件，并根据预先定义的规则将外部输入的事件，分发到上述两个互相隔离的两个内存区域中独立运行的操作系统。
所述实时事件分配组件可以为VxWin或CEWin。
所述的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统在CPU内部通过共享内存和共享内存虚拟网络进行通讯。
所述的双内核半实物仿真系统，还包括一块或多块扩展板卡，扩展板卡连接于控制目标机上，扩展板卡上设有外接接口与真实的物理系统相连。
所述的主机操作系统可以为Windows桌面操作系统。
所述的实时操作系统可以为VxWorks操作系统或WinCE操作系统。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的双内核半实物仿真系统的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU上，在CPU内部进行通讯。控制主机和目标机在同一台计算机上，集成度高，适合便携式使用，控制主机与目标机之间不需要外部通讯接口，提高了全系统的可靠性。减少了CPU板卡全系统的可靠性指标得到了提高；很容易实现控制主机的程序与目标机的实时程序进行安全的同步等某些紧密耦合操作与某些交互式仿真控制算法。
附图说明
图1为本发明所述双内核半实物仿真系统组成图；
图2为本发明所述双内核半实物仿真系统控制组成图。
具体实施方式
本发明所述的一种双内核半实物仿真系统的具体实施方式，如图1与图2所示，包括仿真控制主机、实时控制目标机、人机界面与真实物理系统。人机界面建立与控制仿真控制主机，仿真控制主机通过实时控制目标机控制真实物理系统；仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU上，在CPU内部进行通讯。
本发明所述的双内核半实物仿真系统，仿真控制主机的主机操作系统采用Windows；实时控制目标机的实时操作系统采用VxWorks；所述的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU上是通过实时事件分配组件来实现的。
本发明的实时事件分配组件(软件)采用的是VxWin作为基本软件运行平台。VxWin是德国KUKA Controls公司出品的一种实时事件分配组件(软件)。这种软件可以将Windows和VxWorks两种操作系统运行在同一个奔腾CPU上，并且VxWorks的优先级比Windows高。实时部分的程序由VxWorks操作系统支持运行，用户界面和仿真建模软件运行在Windows中，二者之间通过共享内存和共享内存虚拟网络进行通讯。
在内存分配上VxWin利用Windows和CPU提供的存储管理功能将内存分为互相隔离的两部分，Windows运行在低段内存，VxWorks运行在隔离的高段内存，互不干扰。
例如：一台PC机配置有内存512MB(SDRAM或DDR RAM)，利用Windows的启动配置文件，从内存最低端1MB位置开始到内存顶端的范围内，任何物理地址最低2位为0的地址做为起始地址的64MB(根据需要可变，最小1MB，最大不超过实际内存)，该段物理内存将被Windows保留，不被Windows中的任何程序使用，而Windows及其应用程序将运行在其他剩余的物理内存中。
本发明所述的双内核半实物仿真系统的实时控制目标机的实时操作系统还可采用WinCE，这时实时事件分配组件采用的是CEWin(CEWin是德国KUKA Controls公司出品的一种实时事件分配组件，可以将WinCE和Windows运行在同一个奔腾CPU上的组件)。
本发明所述的双内核半实物仿真系统还包括扩展板卡，扩展板卡连接于控制目标机上，设有外接接口与真实物理系统相连。
在本发明所述的双内核半实物仿真系统中还有我们开发的SimSoft仿真控制软件，并配合与PC兼容的功能扩展板卡，使之成为真正意义上的一体化半实物仿真计算机。由于该系统是建立在标准的单CPU奔腾PC主板之上，所有可运行Windows操作系统的兼容计算机，例如台式PC，笔记本电脑，工控PC等都可以作为硬件运行平台，各种支持PC标准的功能扩展卡(如电机控制卡，数据采集卡，时钟卡等)都可以集成到该系统中。
SimSoft软件包是我们在此基础平台上开发的仿真控制软件。SimSoft具有双重功能：
一、作为仿真控制和管理软件，对仿真流程进行控制，引导用户逐步完成仿真建模，代码生成，编译，下载运行等多个环节，同时还提供对实时运行部分的监控和参数配置等功能。
二、SimSoft软件包提供连接功能，连接Matlab/SimuLink仿真建模工具软件和实时目标机。用户建立的仿真模型通过SimSoft软件包中提供的RTW模板，可将Matlab/SimuLink建立的模型自动生成实时目标机的程序源代码，并编译。
本发明所述的双内核半实物仿真系统是在单CPU上的双内核系统上实现。即仿真控制软件和仿真机都是运行在同一个CPU上。这个CPU既运行Windows，在Windows中仿真控制软件，又同时运行VxWorks操作系统，并在VxWorks中运行实时仿真模型(程序)。
同样，通过SimSoft提供的模板，还可以完成仿真模型变量到物理端口的映射。举例说明：用户建立的发动机仿真模型中用一个变量的数值，代表发动机的油门大小，数字越大，表示油门越大。通过模板，可将该油门变量直接映射到一个输出的IO端口，当程序运行时，该变量被改变，其数值就同时从映射的IO端口输出，这个输出端口的物理信号线连接到真实发动机的油门控制端口，从而实现用计算机程序对发动机的仿真控制，而不需要一个用脚踩的油门踏板。
由于该平台是在同一个奔腾CPU上实现的，使得半实物仿真机系统变得轻便小巧，使用方便。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1、一种双内核半实物仿真系统，包括仿真控制主机与实时控制目标机，人机界面建立与控制仿真控制主机，仿真控制主机通过实时控制目标机控制真实物理系统；其特征在于，仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU上，在CPU内部进行通讯。
2、根据权利要求1所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统运行在同一个CPU的具体方法是：
A、将内存分为相互隔离的两部份，分别为低段内存与高段内存；
B、主机操作系统运行于低段内存，实时操作系统运行于高段内存；或者，主机操作系统运行于高段内存，实时操作系统运行于低段内存。
3、根据权利要求2所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述的步骤A包括：通过实时事件分配组件的软件对CPU自身的存储管理单元MMU编程，将内存分为相互隔离的两部份。
4、根据权利要求3所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述的实时事件分配组件还负责识别实时与非实时的外部事件，并根据预先定义的规则将外部输入的事件，分发到上述两个互相隔离的两个内存区域中独立运行的操作系统。
5、根据权利要求3或4所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述实时事件分配组件可以为VxWin或CEWin。
6、根据权利要求1所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述的仿真控制主机的主机操作系统与实时控制目标机的实时操作系统在CPU内部通过共享内存和共享内存虚拟网络进行通讯。
7、根据权利要求1所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，还包括一块或多块扩展板卡，扩展板卡连接于控制目标机上，扩展板卡上设有外接接口与真实的物理系统相连。
8、根据权利要求1、2或6所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述的主机操作系统可以为Windows桌面操作系统。
9、根据权利要求1、2或6所述的双内核半实物仿真系统，其特征在于，所述的实时操作系统可以为VxWorks操作系统或WinCE操作系统。
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