CN102495552A - 面向星载电子系统的实时仿真系统 - Google Patents
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Abstract
面向星载电子系统的实时仿真系统，涉及一种仿真系统。它了为了解决现有的面向星载电子系统的实时仿真系统的仿真效率低，适用性差的问题。它包括测试向量单元，设计仿真验证单元以及网络控制单元；测试向量单元，用于导入或建立系统向量模型，还用于仿真验证VHDL实体所需测试输入数据，并对VHDL实体输出数据进行计算并验证；设计仿真验证单元，用于导入VHDL实体，建立需要仿真验证的工程文件；还用于将网络控制单元的输入数据进行控制或计算，并将结果通过网络控制单元输出给测试向量单元；网络控制单元，用于通过网络对整个仿真过程进行控制。本发明适用于星载电子系统的实时仿真。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿真系统。
背景技术
目前，FPGA的主流设计方法是利用VHDL等硬件描述语言编写程序来实现功能，在设计过程中需要反复的进行功能级仿真并进行实时仿真验证，以检验设计的正确性。当所设计的星载电子系统较为复杂时，功能级仿真验证耗时，使得整个设计周期大大加长。进行功能仿真首先需要建立激励文件，要充分验证其功能，手动对输入端口赋值，并人工验证仿真结果的正确性，其效率必然极低。并且对于有连续输入的系统，不能够全面的进行连续的数据输入以检验整个设计功能的正确性。因此，传统的仿真方法对于大规模的设计适用性较差。
发明内容
本发明是了解决现有的面向星载电子系统的实时仿真系统的仿真效率低，适用性差的问题，从而提供一种面向星载电子系统的实时仿真系统。
面向星载电子系统的实时仿真系统，它包括测试向量单元，设计仿真验证单元和网络控制单元；
测试向量单元，用于导入或建立系统向量模型，还用于仿真验证VHDL实体所需测试输入数据，并对VHDL实体输出数据进行计算并验证；
设计仿真验证单元，用于导入VHDL实体，建立需要仿真验证的工程文件；还用于将网络控制单元的输入数据进行控制或计算，并将结果通过网络控制单元输出给测试向量单元；
网络控制单元，用于通过网络对整个仿真过程进行控制。
测试向量单元采用MATLAB/Simulink导入或xPC建立的系统模型实现。
设计仿真验证单元采用Modelsim或FPGA评估板实现。
网络控制单元采用Link for Modelsim模块实现。
网络控制单元采用外部自定义的CAN总线或者与无线接口进行关联的方式实现。
嵌入网络控制单元嵌入PC机中，该PC机通过CAN总线同时与xPC和FPGA评估板连接。
PC机、xPC和FPGA评估板之间采用CAN2.0B传输协议实现通信，所述CAN2.0B协议的类型为扩展帧。
xPC选用PC/104实现，PC/104中的系统模型是利用MATLAB/Simulink导入的方式实现的，具体为：在PC机上利用Simulink将卫星姿态动力学和姿态运动学模型转换成RTW代码，通过网口下载到PC/104中。
FPGA评估板中VHDL实体是在PC机上利用开发工具Xilinx FPGA EDK将VHDL实体封装成姿态控制算法IP核添加到MicroBlaze嵌入式处理器中，并通过USB下载到FPGA开发板中。
在VHDL实体封装成姿态控制算法IP核添加到MicroBlaze嵌入式处理器中，通过共享存储器同姿态控制算法IP核之间进行数据交换，实现处理器对姿态控制算法IP核的调用。
有益效果：本发明的面向星载电子系统的实时仿真系统的仿真效率高，适用性强。本发明能够用于验证VHDL实体的实用性，对于星载电子系统具有工程应用的价值。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；图2是本发明具体实施方式十的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，面向星载电子系统的实时仿真系统，它包括测试向量单元，设计仿真验证单元和网络控制单元；
测试向量单元，用于导入或建立系统向量模型，还用于仿真验证VHDL实体所需测试输入数据，并对VHDL实体输出数据进行计算并验证；
设计仿真验证单元，用于导入VHDL实体，建立需要仿真验证的工程文件；还用于将网络控制单元的输入数据进行控制或计算，并将结果通过网络控制单元输出给测试向量单元；
网络控制单元，用于通过网络对整个仿真过程进行控制。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，测试向量单元采用MATLAB/Simulink导入或xPC建立的系统模型实现。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，设计仿真验证单元采用Modelsim或FPGA评估板实现。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，网络控制单元采用Link for Modelsim模块实现。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式三所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，网络控制单元采用外部自定义的CAN总线或者与无线接口进行关联的方式实现。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，嵌入网络控制单元嵌入PC机中，该PC机通过CAN总线同时与xPC和FPGA评估板连接。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，在于PC机、xPC和FPGA评估板之间采用CAN2.0B传输协议实现通信，所述CAN2.0B协议的类型为扩展帧。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，xPC选用PC/104实现，PC/104中的系统模型是利用MATLAB/Simulink导入的方式实现的，具体为：在PC机上利用Simulink将卫星姿态动力学和姿态运动学模型转换成RTW代码，通过网口下载到PC/104中。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，FPGA评估板中VHDL实体是在PC机上利用开发工具Xilinx FPGAEDK将VHDL实体封装成姿态控制算法IP核添加到MicroBlaze嵌入式处理器中，并通过USB下载到FPGA开发板中。
具体实施方式十、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式九所述的面向星载电子系统的实时仿真系统的区别在于，在VHDL实体封装成姿态控制算法IP核添加到MicroBlaze嵌入式处理器中，通过共享存储器同姿态控制算法IP核之间进行数据交换，实现处理器对姿态控制算法IP核的调用。
工作原理：本发明的提供了一个快速高效的仿真平台，用于复杂的基于硬件描述语言而开发的星载电子系统进行功能级仿真及半物理仿真。本发明建立了两个层面的仿真平台：数学实时仿真、半物理仿真。数学实时仿真为基于Link for Modelsim接口的MATLAB/Simulink与Modelsim联合仿真，用于对复杂的基于硬件描述语言而开发的电子系统进行功能级仿真验证。包括：Link for Modelsim模块，提供一个快速的双向连接，把MATLAB/Simulink和针对FPGA的硬件设计流程无缝连结起来的联合仿真的接口扩展模块，用于接口设置，连接Modelsim中VHDL实体MATLAB/Simulink系统模型；MATLAB/Simulink所建立的系统模型，用于提供联合仿真VHDL实体所需测试输入数据，并对VHDL实体输出数据进行计算验证；VHDL实体，Modelsim中所建需要仿真验证的工程文件，通过Link for Modelsim接口得到输入数据进行仿真，并将结果通过端口输出给MATLAB/Simulink中所建系统模型，进行仿真结果分析验证；整个数学仿真平台通过端口设置以及仿真参数设计进行连接及控制，进行数学仿真。
平台包括control，dynamic，attidute1，两个simout及两个scope模块。其中control内部封装Link for Modelsim接口模块，为网络控制单元用于联合仿真接口设置。dynamic模块及attidute1模块为MATLAB/Simulink所建立的系统模型，用于对VHDL实体输出数据进行计算，并将计算结果作为反馈的输入，输入给VHDL实体进行计算。simout及simout1用于观测控制系统控制姿态角结果的数据，scope及scope1用于观测控制系统控制姿态角随时间变化的二维坐标图。
具体仿真步骤为：
1、在MATLAB/里对Modelsim进行配置，然后在MATLAB的File/Set Path菜单中加入Modelsim所在的路径。
2、把MATLAB的当前路径切换到Modelsim的可执行文件所在的目录，在命令窗口中输入vsim(′socketsimulink′，4449)则Modelsim软件被启动，在Modelsim中创建工程文件，并编译保证无错误。
3、命令窗口继续输入vsimulink work.pd，启动Modelsim开始仿真此时无输入，Modelsim等待输入数据。
4、回到MATLAB，在命令窗口输入Simulink，进入Simulink环境，按照附图3搭建系统模型。并按照附图3进行各模块连接。
5、五个端口进行端口设置，并对Simulation中Configuration Parameters的solver选项进行仿真设置。
6、点击仿真按钮即可开始仿真，可在simout及scope中观察数据及波形。
以上步骤完成代表一次联合仿真结束，此时可根据数据及图形对仿真结果进行判断，并对VHDL实体进行相应改进。
半物理仿真具体实施如下：
在PC机上利用Simulink将卫星姿态动力学和姿态运动学模型转换成RTW代码，通过网口下载到PC/104中。
利用XPS提供的为MicroBlaze处理器添加用户自定义IP的功能。处理器可以通过共享存储器同IP核之间进行数据交换，以实现处理器对IP核功能的调用。首先需在SystemGenerator工程中添加共享存储器模块，为IP核提供相应的数据输入接口，其次需在SystemGenerator工程中添加EDK Processor模块，用以实现将System Generator工程以pcore的形式导入到XPS工程中。最后配置System Generator模块，生成pcore工程文件。在XPS中添加用户自定义的IP后，需将其连接到处理器的PLB总线，并为其分配相应的地址空间。最终便可以将IP核添加到处理器中，生成姿态控制器，通过FPGAUSB下载到ML403FPGA开发板中。
当正确设置好用户自定义的IP核后，XPS软件会自动生成用于处理器调用的API函数。API文档中定义了IP核调用中用到的相关数据类型以及各API函数的主要功能，和相关调用方法。用于初始化软件驱动、获得寄存器地址、数据读出、数据写入。
定义各个接口之间的接口关系，采用CAN2.0B传输协议，主要涉及PC/104同CAN总线的接口和CAN总线同FPGA的接口。CAN2.0B协议分为标准帧和扩展帧两种类型，本文中采用扩展帧。其帧信息包括13个字节，其中前5个字节为帧的信息部分，后八个字节为帧的数据部分。如表1所示：
表1
数据的发送：先将姿态角和姿态角速度分别转换成4个字节，再通过CAN bit packing打包成8个字节，再通过CAN总线发送模块发送到CAN总线上。
数据的接收：由于控制器返回的控制力矩只有4个字节，因此定义CAN总线8个字节数据的前4个为控制力矩。CAN总线接收模块获得的CAN总线上的数据帧，通过CANbit unpacking模块获得前4个字节数据。再通过数据转换得到双精度浮点数的控制力矩。
利用CAN总线将xPC实时仿真机和基于FPGA的嵌入式处理器连接起来。并将PC机接入CAN总线，用于监视CAN总线上的数据，对实时仿真结果进行分析验证。
Claims (10)
1.面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征是：它包括测试向量单元，设计仿真验证单元和网络控制单元；
测试向量单元，用于导入或建立系统向量模型，还用于仿真验证VHDL实体所需测试输入数据，并对VHDL实体输出数据进行计算并验证；
设计仿真验证单元，用于导入VHDL实体，建立需要仿真验证的工程文件；还用于将网络控制单元的输入数据进行控制或计算，并将结果通过网络控制单元输出给测试向量单元；
网络控制单元，用于通过网络对整个仿真过程进行控制。
2.根据权利要求1所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于测试向量单元采用MATLAB/Simulink导入或xPC建立的系统模型实现。
3.根据权利要求2所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于设计仿真验证单元采用Modelsim或FPGA评估板实现。
4.根据权利要求3所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于网络控制单元采用Link for Modelsim模块实现。
5.根据权利要求3所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于网络控制单元采用外部自定义的CAN总线或者与无线接口进行关联的方式实现。
6.根据权利要求5所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于嵌入网络控制单元嵌入PC机中，该PC机通过CAN总线同时与xPC和FPGA评估板连接。
7.根据权利要求6所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于PC机、xPC和FPGA评估板之间采用CAN2.0B传输协议实现通信，所述CAN2.0B协议的类型为扩展帧。
8.根据权利要求7所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于xPC选用PC/104实现，PC/104中的系统模型是利用MATLAB/Simulink导入的方式实现的，具体为：在PC机上利用Simulink将卫星姿态动力学和姿态运动学模型转换成RTW代码，通过网口下载到PC/104中。
9.根据权利要求8所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于FPGA评估板中VHDL实体是在PC机上利用开发工具Xilinx FPGA EDK将VHDL实体封装成姿态控制算法IP核添加到MicroBlaze嵌入式处理器中，并通过USB下载到FPGA开发板中。
10.根据权利要求9所述的面向星载电子系统的实时仿真系统，其特征在于在VHDL实体封装成姿态控制算法IP核添加到MicroBlaze嵌入式处理器中，通过共享存储器同姿态控制算法IP核之间进行数据交换，实现处理器对姿态控制算法IP核的调用。
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