CN100557532C - 一种快速控制原型系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速控制原型系统，包括主机、目标机和被控对象，目标机包括下载单元、采集单元、仿真单元、控制单元、及显示单元。下载单元，用于从主机上下载实时控制程序和仿真程序；采集单元，用于采集所述被控对象的运行数据；仿真单元，用于运行所述仿真程序对所述运行数据仿真，把仿真结果传递给所述控制单元和显示单元；控制单元，用于运行所述实时控制程序，将所述仿真结果转换为控制信号，利用所述控制信号控制所述被控对象运行；显示单元，用于显示所述仿真结果。本发明在所述目标机上显示仿真结果，通过目标机上显示的仿真结果可以实时观测仿真状态，便于更及时地控制被控对象，提供了一种低成本的快速控制原型系统。

Description

一种快速控制原型系统

技术领域

本发明涉及数据仿真领域，特别涉及一种实现快速控制原型的系统。

背景技术

快速控制原型技术(RCP，Rapid Control Prototyping)源自制造业的快速原型技术(RP，Rapid Prototyping)。在系统开发的初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个系统进行多次离线和在线的测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性，称这个过程为RCP。该RCP技术广泛应用于交流传动控制系统的研发过程中，以提高交流传动控制系统仿真的置信度。

参见图1，为现有的快速控制原型系统，包括主机101、嵌入式目标机102、及被控对象103。主机101安装有操作系统和仿真软件，操作系统通常为Windows，仿真软件为MATLAB、SIMULINK等，主机101通过高速以太网与嵌入式目标机102相连。嵌入式目标机102包括微处理器，例如数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)或PowerPC，负责相关数据的运算和处理。嵌入式目标机102安装有实时操作系统，如QNX、ETS等。被控对象103为现场设备，如电机等。

主机101负责实时控制程序的建模、编程、及编译等处理，并将处理的实时控制程序下载到嵌入式目标机102。嵌入式目标机102采集被控对象103的运行数据，并从主机101上下载仿真程序，运行所述仿真程序，对该运行数据进行仿真。嵌入式目标机102运行实时控制程序，根据仿真结果，控制被控对象103运行。同时，嵌入式目标机102将仿真结果传送到主机101，主机101显示仿真结果，主机101通过高速以太网与嵌入式目标机102相连，这就要求所述主机101具有高速数据处理能力，对所述嵌入式目标机102性能要求很高。由于仿真结果数据庞大，所述嵌入式目标机102传送所述仿真结果到所述主机101需要较长的时间延迟，导致所述主机101不能实时显示仿真结果。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种快速控制原型系统，仿真结果不需要在主机上显示，从而降低对目标机性能的要求，提供一种低成本的快速控制原型系统。

本发明提供一种快速控制原型系统，包括主机、目标机和被控对象，所述目标机包括下载单元、采集单元、仿真单元、控制单元、及显示单元；

所述下载单元，用于从所述主机上下载实时控制程序和仿真程序；

所述采集单元，用于采集所述被控对象的运行数据；

所述仿真单元，用于运行所述仿真程序，对所述运行数据仿真，把仿真结果传递给所述控制单元和显示单元；

所述控制单元，用于运行所述实时控制程序，将所述仿真结果转换为控制信号，利用所述控制信号控制所述被控对象运行；

所述显示单元，用于显示所述仿真结果。

优选地，所述目标机还包括运行参数设置单元，用于设置仿真程序的给定参数。

优选地，所述目标机上还包括上传单元，用于上传仿真结果至所述主机，所述主机对所述仿真结果分析处理。

优选地，所述系统还包括信号处理装置，用于对所述被控对象的输出信号进行滤波、量程变换后传递至所述采集单元。

优选地，所述采集单元包括数字输入输出通道、模拟转换通道和脉冲输入通道，分别采集开关信号、模拟信号和脉冲信号。

优选地，所述信号处理装置，用于对所述被控对象的输出信号进行滤波具体为由2阶有源滤波电路实现滤波。

优选地，所述量程变换由除法电路实现。

优选地，所述目标机安装DOS扩展器，用于扩展所述目标机的访问内存空间。

优选地，所述目标机还包括共享文件夹映射单元，用于将所述主机中的共享文件夹映射到所述目标机的本地磁盘。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过在目标机上运行所述仿真程序对所述被控对象的运行数据进行仿真，并在所述目标机上显示仿真结果，通过目标机上显示的仿真结果可以实时观测仿真状态，便于更及时地控制被控对象，保证了仿真的实时性，不需要将仿真结果上传到主机上显示，降低了主机和目标机的数据通信能力，从而降低对目标机性能的要求，提供了一种低成本的快速控制原型系统。

附图说明

图1是现有技术中实现快速控制原型的系统结构图；

图2是本发明实现快速控制原型的系统第一实施例结构图；

图3是本发明实现快速控制原型的系统第二实施例结构图；

图4是本发明信号处理时采用的Butterworth二阶滤波电路图；

图5是本发明实现快速控制原型的方法第一实施例流程图；

图6是本发明实现快速控制原型的方法第二实施例流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图2，该图为本发明实现快速控制原型的系统第一实施例结构图。包括主机110、目标机220、及被控对象330。

所述主机110为PC机，装有Windows操作系统和编译软件，所述编译软件优选Open Watcom C/C++1.5编译器，实现实时控制程序和仿真程序的编写和编译。

所述实时控制程序和仿真程序可以用C语言也可以用其他语言来编写。例如汇编语言、Java语言等。

目标机220也为PC机，安装DOS操作系统。所述目标机220包括下载单元201、仿真单元202、显示单元203、采集单元204、控制单元205。

所述下载单元201从主机110中下载所述实时控制程序和仿真程序，所述实时控制程序和仿真程序在所述目标机220上运行。

所述采集单元204采集所述被控对象330的运行数据，发送所述运行数据至所述仿真单元202；所述被控对象330的运行数据包括开关信号、模拟信号和脉冲信号。所述开关信号由所述采集单元204的数字输入输出通道来采集。所述模拟信号由所述采集单元204的模数转换通道来采集，把采集的模拟量转换为数字量。所述脉冲信号由所述采集单元204的脉冲输入通道来采集。

所述仿真模块202运行所述仿真程序，仿真所述被控对象330的运行数据，把仿真结果发送至所述控制单元205和显示单元203。

所述显示单元203显示所述仿真结果，包括仿真过程中的图形和数据。所述图形和数据通过所述目标机220上的图形用户接口(GUI，Graphics UserInterface)中的显示窗口来显示。

所述控制单元205运行所述实时控制程序，将仿真结果转换为控制信号，输出给所述被控对象330，控制所述被控对象330的运行状态。所述实时控制程序在仿真过程中计算需要输出的脉冲宽度调制(PWM，Pulse WidthModulation)信号的宽度，将所述宽度换算成比较值，比较值通过所述控制单元205的比较器与定时值比较大小，当所述定时值大于比较值时，所述比较器输出高电平，否则输出低电平。所述比较器将比较结果输出给所述被控对象330，控制所述被控对象330的运行状态。

本发明的目标机220上安装磁盘操作系统(DOS，Disk Operation System)，并且安装DOS扩展器，在DOS扩展器的帮助下，克服了内存不能超过640KB的限制，使实时控制程序可以访问所有的系统内存，可以运行32位的实时控制程序。由于DOS是单任务操作系统，专门用于仿真时，可保证仿真的实时性，并且DOS操作系统是免费的，这样就降低了整个RCP平台的成本。同时在目标机上显示所述仿真结果，便于实时观测仿真状态，能够更及时地控制被控对象，不需要将所述仿真结果上传到主机上显示，降低了对主机和目标机的数据通信能力要求，从而降低对目标机性能的要求，提供了一套低成本的实时仿真系统。

参见图3，该图为本发明实现快速控制原型的系统第二实施例结构图。与实施例一不同的是目标机增加了上传单元226、给定参数设置单元224、及信号处理装置33。其他部分与实施例一中的功能完全相同，在此不再赘述。

所述上传单元226，上传所述仿真单元225的仿真结果至所述主机11。所述主机11对仿真结果进行进一步分析处理，根据分析结果和实际需要修改所述实时控制程序和仿真程序，所述目标机22重新下载所述实时控制程序和仿真程序，继续采集所述被控对象44的运行数据，对所述运行数据进行仿真，通过所述显示单元227实时监测仿真状态。

所述给定参数设置单元224，通过鼠标或键盘可以设置仿真时需要的参数，比如设置电压为±10V、±100V、±1000V等；设置所述仿真结果显示的时间为1秒、2秒、3秒、10秒等。

所述信号处理装置33，对被控对象44的运行数据进行滤波和调理，把处理好的所述运行数据发送到所述采集单元222。例如对所述被控对象44的电流信号的处理，首先被控对象44输出的电流信号经过电压传感器变为电压信号，电压信号再经过二阶滤波电路和量程变换电路传递给所述采集单元222。参见图4，本发明采用的Butterworth二阶滤波电路图，当然也可以采用能实现本发明的其他滤波电路。图4中的AN3为被控对象44输出的模拟信号，经过所述由电阻R36、R37和电容C48和C56及放大器C组成的二阶有源滤波电路，所述滤波电路去除AN3模拟信号中的噪声和毛刺后，经过由电阻R38和R39及放大器D组成的分压电路，由于R38和R39阻值相同，实现了输出信号为输入信号的1/2，例如输入信号AN3为±10V的电压，输出信号AO3为±5V，实现了信号的量程变换。AO3输入到采集单元222，采集单元222对其进行模数转换。

所述信号处理装置33对所述被控对象44的数字I/O信号的处理主要为量程变换，例如将5V电压转换为3.3V电压。

所述信号处理装置33对所述被控对象44的脉冲信号的处理为去除脉冲信号中的毛刺，传送给所述采集单元222，所述采集单元222对所述脉冲信号进行计数。

本发明所述实施例还可以通过利用鼠标或者键盘控制所述实时控制程序的运行和停止。

本发明优选实现上述采集单元和控制单元的硬件为外设部件互连(PCI，Peripheral Component Interconnect)板卡。根据功能、性能指标、软件等要求，下面详细说明选择PCI板卡的标准。

(1)能给出周期可编程的实时中断信号，且最小中断周期为40us。

(2)脉冲输入通道个数2个，晶体管-晶体管逻辑电平/互补金属氧化物半导体电平(TTL/CMOS，Transister-Transister Logic/Complementary MetalOxide Semiconductor)，精度16位，最大脉冲输入频率2MHz。

(3)脉冲输出通道个数3个，TTL/CMOS电平。

(4)模数转换(A/D，Analog/Digital)通道数大于16，采样精度12位以上，每个通道采样频率25KHz以上，信号范围-10V～+10V。

(5)数字输入输出通道大于16个，TTL/CMOS电平，可配置。

(6)有DOS库或公开了寄存器信息，可通过软件编程实现这些寄存器的访问。

本发明实现所述信号处理装置33的硬件为接口板，下面结合RCP实验台的功能和性能要求、以及选定的上述PCI板卡，该接口板设计如下：

(1)处理输入到PCI卡的模拟电压信号，信号范围-10V～+10V，经2阶Butterworth滤波、除以2后送给PCI数据采集卡，共有8路。

(2)处理输入到PCI卡的模拟电压信号，信号范围0～+5V，经2阶Butterworth滤波后送给PCI数据采集卡，共有12路。

(3)处理输入到PCI卡的2路码盘脉冲输入，经驱动后送脉冲计数卡。

(4)处理输入到PCI卡有6路高速开关信号，经驱动后送多功能数据采集卡。

(5)处理PCI卡输出3路PWM信号。

(6)处理多功能数据采集卡输出8路I/O信号。

(7)与PCI卡通过两根DB37并行电缆相连。

当然，可以根据RCP实验台应用的环境不同而选择不同的PCI板卡和接口板。

所述目标机上安装msclient3.0客户端网络通信软件，将主机中的共享文件夹映射到目标机的本地磁盘，使所述实时控制程序自动下载，所述仿真结果自动上传，完成所述下载模块和上传模块的功能。

本发明通过在目标机上安装DOS操作系统，从主机上下载实时控制程序和仿真程序，对被控对象的运行数据进行仿真，并且在目标机上实时显示仿真过程中的图形及仿真结果，这样便于实时观测仿真状态，并且通过目标机上的给定参数设置单元，及时对仿真作出响应，修改给定参数，实现对被控对象的控制，利于快速控制原型的实现。

基于上述一种快速控制原型系统，本发明还提供了一种快速控制原型实现方法，下面结合具体实施例来详细说明其工作流程。

参见图5，本发明一种快速控制原型实现方法第一实施例流程图。包括以下步骤：

S501：建模、编写、编译实时控制程序和仿真程序。根据被控对象的性能建模仿真需要的实时控制程序和仿真程序，然后在特定的操作系统和软件环境下编写、编译所述实时控制程序。本发明在主机上编写、编译实时控制程序的软件环境优选Windows操作系统和Open Watcom C/C++1.5编译器。OpenWatcom C/C++1.5是一個专业的、性能优越的、多平台的C/C++编译器，并带有一整套强大的开发调试工具，能构开发纯DOS、扩展DOS、WINDOWS95/98/ME、WINDOWS NT/2000/XP平台的16位及32位的应用程序。本发明用到Open Watcom C/C++1.5的两个特征为：

(1)支持各种DOS扩展器。通过DOS扩展器，可在DOS操作系统下运行32位应用程序，访问最多4GB的内存空间。

(2)交叉平台开发。即开发者可在Windows操作系统下开发非Windows操作系统的应用程序，例如在Windows XP系统下开发DOS 32位应用程序。

S502：从所述主机上下载所述实时控制程序和所述仿真程序。

目标机上安装msclient3.0客户端网络通信软件，将主机中的共享文件夹映射到目标机的本地磁盘，使所述实时控制程序自动下载。

S503：采集所述被控对象的运行数据。所述被控对象的运行数据包括开关量、模拟量和脉冲量等等。数字输入输出通道采集所述开关量。模数转换通道采集所述模拟量，把采集的模拟量转换为数字量。脉冲输入通道采集所述脉冲量。

S504：运行所述仿真程序对所述被控对象的运行数据进行仿真。

S505：将仿真结果转换为控制信号，输出给所述被控对象，控制所述被控对象的运行。实时控制程序在仿真过程中计算需要输出的PWM信号的宽度，将所述宽度换算成比较值，比较值通过比较器与定时值比较大小，当所述定时值大于比较值时，所述比较器输出高电平，否则输出低电平。所述比较器将比较结果输出给所述被控对象，控制所述被控对象的运行状态。

S506：显示所述仿真结果。包括仿真过程中的图形和数据。所述图形和数据通过所述目标机上的图形用户接口(GUI，Graphics User Interface)中的显示窗口来显示。

需要说明的是，S505和S506没有先后顺序，在整个仿真过程中，仿真的中间数据和最后结果都会在GUI页面上实时显示。

本发明在目标机上安装DOS操作系统，并且安装DOS扩展器，在DOS扩展器的帮助下，克服了内存不能超过640KB的限制，使实时控制程序可以访问所有的系统内存，可以运行32位的实时控制程序。由于DOS是单任务操作系统，专门用于仿真时，可保证仿真的实时性，并且DOS操作系统是免费的，这样就降低了整个RCP平台的成本。同时在目标机上显示所述仿真结果，便于实时观测仿真状态，能够更及时地控制被控对象，避免仿真结果上传到主机上显示，对主机和目标机的数据通信要求大大降低，从而降低对目标机性能的要求，达到实时控制被控对象的目的。

参见图6，本发明一种快速控制原型方法第二实施例流程图。包括以下步骤，与方法实施例一不同的为S603和S608，其他步骤与方法实施例一相同，在此不再赘述。

S603：对所述被控对象的运行数据进行滤波、及调理。例如对所述被控对象的电流信号的处理，首先将控对象输出的电流信号经过电压传感器变换为电压信号，电压信号再经过二阶滤波，去除信号中的噪声和毛刺。

当仿真结果转换为控制信号后，要首先对控制信号进行量程变换和驱动。例如将3.3V电压变为5V电压信号；同时增加信号的带载能力，输出给所述被控对象，控制被控对象的运行状态。

S608：上传所述仿真结果。上传所述仿真结果至所述主机。所述主机对仿真结果进行进一步分析处理，根据分析结果和实际需要修改所述实时控制程序，所述目标机重新下载所述实时控制程序，继续采集所述被控对象的运行数据，对所述运行数据进行仿真。

当然，在进行仿真时，可以利用鼠标或者键盘控制所述实时控制程序的运行和停止。也可以通过鼠标或键盘设置仿真时需要的参数，比如设置电压为±10V、±100V、±1000V等；设置所述仿真结果显示的时间为1秒、2秒、3秒、10秒等。

需要说明的是，在整个仿真过程中，仿真的中间数据和最后结果都会在GUI页面上实时显示，仿真结果可以同时上传给所述主机，并且输出控制信号控制被控对象的运行状态。

本发明通过在目标机上安装DOS操作系统，从主机上下载实时控制程序和仿真程序，对被控对象的运行数据进行仿真，并且在目标机上实时显示仿真过程中的图形及仿真结果，这样便于实时观测仿真状态，并且通过目标机可以及时对仿真作出响应，修改给定参数，实现对被控对象的控制，利于快速控制原型的实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1、一种快速控制原型系统，包括主机、目标机和被控对象，其特征在于，所述目标机包括下载单元、采集单元、仿真单元、控制单元、及显示单元；

所述下载单元，用于从所述主机上下载实时控制程序和仿真程序；

所述采集单元，用于采集所述被控对象的运行数据；

所述仿真单元，用于运行所述仿真程序，对所述运行数据仿真，把仿真结果传递给所述控制单元和显示单元；

所述控制单元，用于运行所述实时控制程序，将所述仿真结果转换为控制信号，利用所述控制信号控制所述被控对象运行；

所述显示单元，用于显示所述仿真结果。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标机还包括给定参数设置单元，用于设置仿真程序的给定参数。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标机上还包括上传单元，用于上传仿真结果至所述主机，所述主机对所述仿真结果分析处理。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号处理装置，用于对所述被控对象的输出信号进行滤波、量程变换后传递至所述采集单元。

5、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集单元包括数字输入输出通道、模拟转换通道和脉冲输入通道，分别采集开关信号、模拟信号和脉冲信号。

6、根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号处理装置，用于对所述被控对象的输出信号进行滤波具体为：由2阶有源滤波电路实现滤波。

7、根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述量程变换由除法电路实现。

8、根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述目标机安装DOS扩展器，用于扩展所述目标机的访问内存空间。

9、根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述目标机还包括共享文件夹映射单元，用于将所述主机中的共享文件夹映射到所述目标机的本地磁盘。

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