CN103413008A - 一种基于分布式i/o接口的实时仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，包括：主机系统和两个或两个以上的I/O接口系统；其中：主机系统通过可远程传输的总线与I/O接口系统连接。本发明通过采用可远程传输的总线将主机系统和I/O接口系统连接，能够实现在仿真系统中只需一个主机系统，无需对原有的物理系统的数字模型进行拆分和改造；能够实现一个主机系统与多个I/O接口系统连接，方便对I/O接口系统进行扩展；能够实现将I/O接口系统靠近外部设备端完成信号的处理和转换，提高信号的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时仿真系统，更具体地说，涉及一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统。
背景技术
目前，工程系统特别是如飞机、卫星、汽车、船舶等复杂系统，在设计阶段和验证阶段都需要进行大量的试验和测试。在实验室内，试验和测试所需要的外部环境通常采用半实物仿真系统来模拟。实时仿真系统是半实物仿真系统的重要组成部分之一。半实物仿真系统采用实时仿真系统对物理系统的数字模型进行实时解算，通过硬件I/O系统进行激励信号的采集和响应信号的生成，从而实现与外部真实系统的信号交联。实时仿真系统提供物理系统的数字模型实时解算的功能。
现有的实时仿真系统主要可以分为以下几类：1、单机仿真系统。如图1所示，半实物仿真系统只有一个实时仿真单机。该实时仿真单机包括了一个模型解算单元和一个硬件I/O系统。模型解算单元用于实现物理系统的数字模型的实时解算，一般采用通用的运算处理设备，比如具有中央处理器CPU硬件设备等。硬件I/O系统用于实现真实电气信号（包括数字信号、模拟信号和总线信号）的采集和发生，比如模拟输入/输出板卡、数字输入/输出板卡、总线通讯板卡等。信号调理系统则用于实现实时仿真系统中硬件I/O系统的标准输入/输出信号与外部系统的各种信号的电气特性匹配以及接口保护等功能。物理系统的数字模型的实时解算全部在这个实时仿真单机中完成。模型解算单元与硬件I/O系统之间通常采用板级高速数据总线（比如PCIe、PCI、PXI、VME、ISA等）进行数据传输，硬件I/O系统与信号调理系统之间采用电缆进行电气信号传输。
2、分布式多机仿真系统。如图2所示，半实物仿真系统具有多个实时仿真单机。每个实时仿真单机包括了一个模型解算单元和一个硬件I/O系统。物理系统的数字模型将拆分为多个子模型，分别在各个实时仿真单机中进行解算。各个实时仿真单机之间采用反射内存等方式进行子模型与子模型之间的数据实时交互。多个实时仿真单机之间可以是主从关系，也可以是并行关系，还可以是既有主从又有并行的混合方式。
但是，上述的两种仿真系统均存在缺陷。如图1所示的单机仿真系统仅有一个模型解算单元，能提供的运算能力有限，对于大规模的数字模型，仿真实时性较差。同时，单机仿真系统由于受机箱等结构等因素限制，能提供的I/O数量有限，无法模拟具有大量I/O的物理系统。虽然可以采用一些I/O扩展的方式，比如采用背板总线扩展板卡实现多个I/O机箱的级联，但是实现成本较高。
如图2所示的分布式多机仿真系统，虽然可以解决如图1所示的单机仿真系统存在的两个主要问题，但是分布式多机仿真系统的实现成本较高：一方面需要多个仿真单机，另一方面各个仿真机之间需要采用额外设备（如反射内存卡）来构建分布式网络。同时，分布式多机仿真时，需要对原有的物理模型进行拆分和改造，以适应分布式仿真的网络拓扑结构，这又提高了系统复杂度，增加了工作量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，无需对原有的物理系统的数字模型进行拆分和改造，能够实现实时仿真系统中的一个主机系统与多个I/O接口系统连接。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，包括：主机系统和两个或两个以上的I/O接口系统；其中：
所述主机系统通过可远程传输的总线与所述I/O接口系统连接。
优选地，所述主机系统包括：模型解算单元和与所述模型解算单元连接的主机数据收发单元。
优选地，所述I/O接口系统包括：节点数据收发单元和与所述节点数据收发单元连接的节点硬件I/O单元；
所述每个I/O接口系统中的所述节点数据收发单元分别与所述主机数据收发单元通过所述可远程传输的总线连接。
优选地，所述可远程传输的总线为：采用消息中间件技术的以太网总线或实时以太网总线或多点互连总线。
优选地，所述系统还包括与所述I/O接口系统个数相同的信号调理系统；
所述每个信号调理系统分别通过电缆与所述每个节点硬件I/O单元形成一对一连接，或所述每个信号调理系统分别集成在所述I/O接口系统中，并通过导线与所述节点硬件I/O单元连接。
从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，通过采用可远程传输的总线将主机系统和I/O接口系统连接，能够实现在仿真系统中只需一个主机系统，无需对原有的物理系统的数字模型进行拆分和改造；能够实现一个主机系统与多个I/O接口系统连接，方便对I/O接口系统进行扩展；能够实现将I/O接口系统靠近外部设备端完成信号的处理和转换，提高信号的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种实时仿真系统的结构示意图；
图2为现有技术公开的另一种实时仿真系统的结构示意图；
图3为本发明公开的一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统的结构示意图；
图4为本发明公开的另一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统的结构示意图；
图5为本发明公开的另一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，无需对原有的物理系统的数字模型进行拆分和改造，能够实现实时仿真系统中的一个主机系统与多个I/O接口系统连接。
如图3所示，为本发明公开的一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，包括：主机系统和两个或两个以上的I/O接口系统；其中：
主机系统通过可远程传输的总线与I/O接口系统连接。
在上述实施例中，主机系统用于进行数字模型的实时解算，I/O接口系统主要用于实现信号的输入和输出。
在上述实施例中，基于分布式I/O接口的实时仿真系统，具有一个主机系统和两个或两个以上的I/O接口系统，主机系统与各个I/O接口系统之间通过可远程传输的总线进行连接。
在上述实施例中，通过将主机系统与各个I/O接口系统进行分离，同时采用可远程传输的总线实现主机系统与各个I/O接口系统的连接，能够使得基于分布式I/O接口的实时仿真系统，仅有一个对数字模型进行实时解算的主机系统，因此，无需对原有的物理系统的数字模型进行拆分和改造。同时，由于主机系统与I/O接口系统之间采用可远程传输的总线连接，因此，能够实现一个主机系统与多个I/O接口系统连接，从而能够通过增加I/O接口系统对基于分布式I/O接口的实时仿真系统进行更新和扩展。同时能够实现，只要主机系统具备总线接口即可集成到基于分布式I/O接口的实时仿真系统中，使得基于分布式I/O接口的实时仿真系统中的主机系统有更多的选型范围，可以根据需要采用或更换运算能力更高的主机系统，从而提高了基于分布式I/O接口的实时仿真系统构建的灵活性和扩展维护性。同时，由于主机系统与I/O接口系统在物理形态上分离，通过可远程传输的总线连接，因此，I/O接口系统可以靠近外部设备端完成信号处理和转换，并在不受干扰和距离导致衰减的影响下以数字量的形式进行传输，提高了信号在外部设备到主机系统之间传输的可靠性。
如图4所示，为本发明公开的另一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，包括：主机系统、两个或两个以上的I/O接口系统和与I/O接口系统个数相同的信号调理系统；其中：
主机系统包括：模型解算单元和与模型解算单元连接的主机数据收发单元；
每个I/O接口系统均包括：节点数据收发单元和与节点数据收发单元连接的节点硬件I/O单元；
每个I/O接口系统中的节点数据收发单元分别与主机数据收发单元通过可远程传输的总线连接；
每个信号调理系统分别通过电缆与每个节点硬件I/O单元形成一对一连接。
具体的，上述的可远程传输的总线可以为：采用消息中间件技术的以太网总线，如基于OpenSplice DDS中间件技术的总线；实时以太网总线，如EtherCAT、Powerlink总线等；多点互连总线，如RS422/485、MLVDS总线等。
实时仿真系统需要在规定的时间周期内（称为仿真周期）完成对物理系统数字模型的解算。以下通过对一个仿真周期，具体说明本实施例公开的基于分布式I/O接口的实时仿真系统的工作过程。需要说明的是，针对具体的系统实现和仿真需求，基于分布式I/O接口的实时仿真系统也可以有其他的工作过程。
具体工作过程为：首先，主机系统中的模型解算单元在进行模型解算之前需要获取所需的输入信号，因此模型解算单元首先产生数据查询指令，根据数据查询指令，各个I/O接口系统中的节点数据收发单元，将经过信号调理系统调理后，来自节点硬件I/O单元的数字量，按照主机系统与节点之间总线数据通讯协议进行打包并发送给主机系统。节点硬件I/O单元的数字量，是对来自外部系统经过信号调理系统调理后输入的电气信号，进行数字化转换的结果，比如对于电压模拟信号，节点硬件I/O单元通过模数转换得到表征模拟信号电压值的数字量；对于数字信号，节点硬件I/O单元通过电平转换电路得到表征电平高低的数字量；对于总线信号，节点硬件I/O单元根据通讯协议得到表用户数据内容的数字量。
然后，主机系统中的主机数据收发单元对来自各节点数据收发单元的数据包进行解包，得到表征外部系统输入信号的数字量，并传给模型解算单元。模型解算单元获得输入信号后，则开始进行数字模型的解算。模型解算完毕后，模型解算单元得到解算结果，并产生各种响应信号的数字量。
接着，模型解算单元将表征响应信号的数字量通过主机数据收发单元传输给各节点数据收发单元。由此，硬件I/O单元得到表征待输出的电气信号的数字量，再将数字量转换为对应的电气信号进行输出。比如，对于电压模拟信号，硬件I/O单元通过数模转换将数字量生成对应电压值的模拟信号；对于数字信号，硬件I/O单元通过电平转换电路生成高低电平信号；对于总线信号，硬件I/O单元根据已定义的通讯协议产生相应的总线信号。
由此，基于分布式I/O接口的实时仿真系统完成了一个仿真周期内的激励信号输入、模型解算和响应信号输出。
如图5所示，本发明在上述实施例的基础上公开了另一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，包括：主机系统、两个或两个以上的I/O接口系统、与I/O接口系统个数相同的信号调理系统和与I/O接口系统个数相同的信号调理系统；其中：
主机系统包括：模型解算单元和与模型解算单元连接的主机数据收发单元；
每个I/O接口系统均包括：节点数据收发单元和与节点数据收发单元连接的节点硬件I/O单元；
每个I/O接口系统中的节点数据收发单元分别与主机数据收发单元通过可远程传输的总线连接；
每个信号调理系统分别集成在所述I/O接口系统中，并通过导线与所述节点硬件I/O单元连接。
在上述实施例中，系统的工作原理与上一实施例相同，在此不再赘述。通过将信号调理系统集成到I/O接口系统中，一方面简化了整个基于分布式I/O接口的实时仿真系统、减少了系统布线成本和体积，另一方面减小了信号的传输距离，提高了信号的传输质量。
综上所述，本发明由于将模型解算单元与节点硬件I/O单元这两部分进行分离，同时采用可远距离传输的高速数据总线实现模型解算单元与多个节点硬件I/O单元的连接。因此，具有以下优点：
1）基于分布式I/O接口的实时仿真系统中仅有一个模型解算单元，因此无需对原有的物理系统的数字模型进行拆分和改造。
2）模型解算单元与节点硬件I/O单元之间采用可远程传输的高速总线连接，可以实现一个模型解算单元与多个节点硬件I/O单元之间的连接，因此基于分布式I/O接口的实时仿真系统可以方便地接入节点硬件I/O接口单元，不受限于机箱等结构限制，并且扩展节点硬件I/O单元的实现成本低。这有利于实现具有大量I/O接口的实时仿真系统以及方便后期的维护和更新。
3）模型解算单元与节点硬件I/O单元之间通过总线方式进行连接，因此模型解算单元所在的主机系统只需要具备总线接口即可集成到基于分布式I/O接口的实时仿真系统中。这使得基于分布式I/O接口的实时仿真系统中主机系统有更多的选型范围，可以采用或更换使用运算能力更高的模型解算单元，从而提高了系统构建的灵活性和扩展维护性。
4）节点硬件I/O单元与模型解算单元在物理形态上分离，以可远程传输的高速总线方式进行相连。因此，节点硬件I/O接口可以靠近外部设备端完成信号处理和转换，并在不受干扰和距离导致衰减的影响下以数字量的形式进行传输，提高了信号在外部设备到模型解算单元之间传输可靠性。
5）通过将信号调理系统集成到I/O接口系统中，一方面简化了整个基于分布式I/O接口的实时仿真系统、减少了系统布线成本和体积，另一方面减少信号传输距离、提高信号传输的质量。
6）对于具有大量I/O接口的系统，采用分布式I/O接口的实时仿真系统，可以无需搭建分布式多机仿真系统或者对单机仿真系统进行背板总线的扩展，降低系统实现的成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种基于分布式I/O接口的实时仿真系统，其特征在于，包括：主机系统和两个或两个以上的I/O接口系统；其中：
所述主机系统通过可远程传输的总线与所述I/O接口系统连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机系统包括：模型解算单元和与所述模型解算单元连接的主机数据收发单元。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述I/O接口系统包括：节点数据收发单元和与所述节点数据收发单元连接的节点硬件I/O单元；
所述每个I/O接口系统中的所述节点数据收发单元分别与所述主机数据收发单元通过所述可远程传输的总线连接。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述可远程传输的总线为：采用消息中间件技术的以太网总线或实时以太网总线或多点互连总线。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括与所述I/O接口系统个数相同的信号调理系统；
所述每个信号调理系统分别通过电缆与所述每个节点硬件I/O单元形成一对一连接，或所述每个信号调理系统分别集成在所述I/O接口系统中，并通过导线与所述节点硬件I/O单元连接。
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