CN103942092A - 一种支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向LabView图形化编程的HLA多领域协同仿真方法,步骤：首先，根据仿真需求进行FOM扩展，并将涉及的HLA服务和回调的复杂过程封装为结构化的联邦基础代码；按照LabView调用C++语言程序的CLF接口规范，编写可被CLF节点直接调用的动态链接库文件CLF-DLL，建立LabVIEW图形化仿真程序与RTI服务函数的联系；将LabView利用CLF-DLL调用HLA各种服务的过程包装为CLF节点HLA-CLF；最后利用HLA-CLF建立LabView联邦成员的仿真流程框架，调用LabView图形化仿真模型，形成独立、完整的LabView联邦成员。本发明能够确保HLA协同仿真系统的结的一致性和仿真效率；而且不仅可用于面向各种HLA软件平台的LabView联邦成员开发，还为其它仿真软件(如Matlab、Scilab等)接入HLA/RTI仿真系统提供了重要的参考。
Description
技术领域
本发明涉及系统仿真、分布式交互仿真和软件集成，特别是涉及LabView仿真应用接入基于HLA/RTI的分布式交互仿真系统，具体地说是一种支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法。
背景技术
LabView是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域。作为一种图形化编程开发环境，LabView使用图形语言以框图的形式编写程序，具有开发便捷、界面直观形象等优势。但这也使得LabView不易实现底层操作，因而需要借助其它语言开发的程序实现特定功能。CLF节点是LabView提供的与传统编程语言的接口，用于调用DLL(动态链接库)文件，以此达到扩充LabView功能、满足虚拟测试系统测试计量要求的目的。HLA(High Level Architecture，高层体系结构)作为分布式交互仿真的标准(IEEE1516)，其目的是解决不同类型仿真应用之间的互操作及重用问题。HLA通过RTI(Run-Time Infrastructure，运行支撑环境)将各种仿真应用结合在一起，形成规模更为庞大、结构更为复杂、功能更为全面的仿真系统。异构环境下HLA仿真系统的构建，目前多通过代理方式实现。即开发中间件/适配器作为联邦成员加入HLA仿真系统，并与异构的仿真应用之间建立Socket连接，以进行仿真控制和数据交换。
随着仪器仪表智能化程度和通信能力的不断提高，传统的集中式测量正在向分布式测量转变，本地测量也正在向远程测量转变。但使用LabView进行仿真一般仅限于单机模式或同构的远程互连，不能用于异构的分布式环境。美国RTI(Real-Time Innovations)公司于2013年推出了面向LabView的DDS(Data Distribution Service，数据分发服务)工具箱，能够建立支持LabView的异构分布式系统。但该工具箱缺乏对分布式交互仿真标准的支持，系统的重用性较差。因此，使LabView程序参与基于HLA/RTI的分布式交互仿真，发挥LabView软件在图形化编程与可视化仿真方面的优势，并充分重用已有的LabView仿真程序，具有重要的现实意义。LabView没有提供与HLA/RTI的接口，为了实现基于HLA的多领域协同仿真，需要一种将LabView仿真程序接入HLA/RTI系统中的方法。
目前，国内外尚未明确提出LabView接入HLA的方法与技术。LabVIEW中为网络通信提供了基于TCP/IP的通信函数，用户可直接调用TCP模块中已发布的VI(VirtualInstrument，虚拟仪器)来完成流程的编写，无需过多考虑网络的底层实现。因此，固然可以采用代理的方式使LabView仿真程序间接接入HLA仿真系统，但这种方式使得LabView与中间件/适配器之间存在着额外的非RTI数据通信和时间同步，这必将导致仿真系统结构混杂、难以维护、仿真运行效率低下等问题。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，从而能够充分发挥LabView在图形化编程和可视化仿真方面的优势，同时确保HLA协同仿真系统的结的一致性和仿真效率；并将LabView联邦成员的框架结构和开发过程规范化，同时减小开发工作量，使开发者将主要精力放在模型功能和仿真内容上。
为了完成发明目的，本发明的技术解决方案是：一种支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，实现步骤如下：
(1)针对具体的RTI软件平台，根据仿真需求进行FOM扩展，并将涉及的HLA服务和回调的复杂过程封装为结构化的联邦基础代码C++类；
(2)按照LabView调用C++语言程序的CLF接口规范，编写能够被CLF节点直接调用的动态链接库文件，称为CLF-DLL，从而建立LabVIEW图形化仿真程序与RTI服务函数的联系；另外，CLF-DLL还负责在LabView图形化仿真程序和联邦基础代码之间进行数据转换；
(3)将LabView通过CLF-DLL调用HLA各种服务的过程包装为CLF节点，称为HLA-CLF；
(4)利用HLA-CLF建立LabView联邦成员的仿真流程框架，调用LabView图形化仿真模型，在LabView图形化仿真模型I/O和SOM之间建立映射关系，形成独立、完整的LabView联邦成员。
所述步骤(1)中封装为结构化的联邦基础代码C++类的过程为：将FOM中的对象类所涉及的公布、对象注册、对象删除和对象属性更新的HLA服务封装为公布对象类，将订购、对象发现和对象移去等服务和回调封装为反射列表类，将对象属性反射回调封装为反射对象类，并通过状态池类管理对象属性；将交互类所涉及到的公布、参数管理、交互发送的服务和操作封装为交互类，将订购、交互接收等服务和回调封装为交互响应函数；将对象属性和交互参数的编解码等相关操作封装为对象编解码类和交互编解码类。所述步骤(2)中编写能够被LabView的CLF节点直接调用的CLF-DLL的过程为：通过CLF-DLL在LabView进程的堆空间中创建联邦成员生命期内所需的关键全局对象，使所述关键全局对象常驻内存，并将关键全局对象地址作为DLL导出变量导出，使后续的CLF-DLL调用能够对关键全局对象进行寻址，确保LabView联邦成员生命期的延续性。
所述步骤(2)中数据转换的实现为：在所述联邦基础代码中，以C++类及其成员分别作为FOM中对象类及其属性、以及交互类及其参数的数据载体，而在LabView程序中则用模块节点的参数或信号瞬时值表示；CLF-DLL负责在C++类成员变量与LabView程序模块节点的参数或信号瞬时值之间进行转换。
所述步骤(3)中将LabView利用CLF-DLL调用HLA各种服务的过程包装为HLA-CLF节点的过程为：对LabView调用CLF-DLL的过程进行包装，根据成员设计进行I/O转换，隐藏动态链接库函数的输入/输出细节，对CLF-DLL调用进行参数检查和异常/容错处理，并释放不再需要的CLF-DLL模块，对上层的LabView成员框架程序提供规范透明的接口。
所述步骤(4)中建立LabView联邦成员的仿真框架程序，调用LabView图形化仿真模型，在LabView图形化仿真模型I/O和SOM之间建立映射关系，形成独立、完整的LabView联邦成员的具体过程为：析取HLA联邦成员的基本流程和主要行为，建立基于HLA-CLF的LabView联邦成员的图形化仿真框架程序，控制LabView成员的仿真流程和生命期；然后，针对具体的仿真应用，将已有的LabView仿真程序I/O接入相关的HLA-CLF节点。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明首次提出并实现了一种支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，能够充分发挥LabView在图形化编程和可视化仿真方面的优势。
(2)LabView联邦成员与其它成员之间的数据交换不经过中间环节，确保了HLA协同仿真系统的结的一致性和仿真效率。
(3)LabView仿真程序的I/O可与SOM数据直接关联，且成员框架程序在LabView环境中运行，利于管理和调试。
(4)本发明不仅可用于面向各种HLA软件平台的LabView联邦成员开发，还为其它仿真软件(如Matlab、Scilab等)接入HLA/RTI仿真系统提供了重要的参考。
附图说明
图1是本发明的总体设计图；
图2是本发明中CLF-DLL的原理示意图；
图3是本发明中CLF-DLL进行数据转换的示意图；
图4是本发明中LabView成员框架程序的示意图；
图5是本发明中用于测试的LabView成员图形化程序示意图；
图6是本发明中用于测试的LabView成员前面板示波器显示结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
参阅图1本发明的总体设计图，LabView联邦成员和其它成员一样，通过本地LRC与RTI服务器进行通信，其结构层次自底至上依次为：a、联邦基础代码将数量众多的HLA服务及其复杂的调用过程封装为简单易用的C++类；b、按照LabView调用C++语言程序的CLF接口规范，编写调用联邦基础代码和负责LabView/C++数据转换的动态连接库函数，编译后形成可被LabView直接调用的CLF-DLL；c、HLA-CLF包装了LabView通过CLF节点调用CLF-DLL的一系列过程；d、LabView成员仿真框架程序使用图形化编程语言编写，调用HLA-CLF和已有的LabView仿真程序。基于上述架构，可实现顶层为LabView图形化程序，底层(图1中的接入层)与RTI无缝连接的真正的LabView联邦成员。
在FOM扩展方面，本发明针对不同的HLA软件平台，根据联邦OMT(Object ModelTemplate，对象模型模板)中对象类名、交互类名、对象类属性名及数据类型、交互类参数名及数据类型，编写对应的C++类源码(即联邦基础代码)，作为所有联邦成员的开发基础，其描述和作用如表1所示。
表1联邦基础代码C++类
注：XX表示FOM中的类名
LabView通过CLF节点调用DLL文件时，在DLL函数的执行过程中所创建的变量和对象都将在CLF调用结束后销毁。因此，一般情况下，在LabView多次调用CLF的过程中，HLA联邦成员在其生命周期中所必须的RTI大使类(RTIambassador)对象和联邦大使类(FederateAmbassador)对象无法在LabView的进程空间内持续存在。LabView程序既无法通过同一RTIambassador对象调用HLA服务，也无法通过同一FederateAmbassador对象获得HLA回调，LabView成员的生命期得不到延续。根据Windows操作系统的内存管理机制，在函数调用过程中创建的栈对象将在函数返回后被销毁，而堆对象却能够在内存中持续存在，直到被删除或调用模块被释放。本发明通过CLF调用在LabView进程的堆空间中创建RTI大使对象和联邦大使对象，并通过DLL导出变量进行导出和寻址，能够使LabView成员的生命期在多次CLF-DLL调用的过程中得到延续。
参阅图2中CLF-DLL的原理示意图，LabView首先通过CLF节点调用了CLF-DLL文件A，A的接口函数通过new操作符在LabView进程的堆空间中创建了RTI大使对象和联邦大使对象，并将其地址作为DLL导出变量导出。由于RTI大使对象和联邦大使对象是在堆空间上创建的，因此当A调用结束后，它们并不会销毁。随后，在LabView通过CLF调用CLF-DLL文件B时，由于LabView的进程空间里仍保留有A的内存映像，且A和B的内存映像在同一个进程空间内，所以在B的接口函数中能够获取A的内存映像句柄，并能够通过该句柄对RTI大使对象和联邦大使对象进行寻址，进而获得它们的有效地址。通过RTI大使对象的有效地址，即可成功调用HLA服务enableAsynchronousDelivery，打开LabView成员的异步传输模式。这样，LabView成员的生命期就得到了延续，成员状态成功更新。
CLF-DLL是本发明的核心内容，本发明根据联邦OMT和LabView成员SOM，编写基于联邦基础代码的、符合LabView调用规范的动态链接库接口函数，编译后生成CLF-DLL动态链接库文件。除了使LabView图形化仿真程序具备直接调用HLA服务的能力以外，CLF-DLL还负责在LabView程序和联邦基础代码之间进行数据转换，从而将LabView仿真程序I/O与SOM数据直接关联起来。LabView/C++数据转换主要涉及对象属性和交互参数，在联邦基础代码中，以C++类及其成员分别作为FOM对象类/交互类及其属性/参数的数据载体，而在LabView仿真程序中则相应地用模块节点的参数或信号瞬时值表示。参阅图3中CLF-DLL数据转换的示意图，CLF-DLL数据转换是将LabView模块节点的参数或信号瞬时值赋给对应的C++类成员，供联邦基础代码使用；同时，将C++类成员的值赋给对应的LabView模块节点的参数或信号瞬时输入，供LabView仿真程序使用。
由于HLA服务数量众多，过程复杂，相关数据的结构多样。因此，为了便于使用LabView进行HLA联邦成员开发，本发明对LabView图形化编程语言调用CLF-DLL的过程进行了包装，形成了符合LabView语法规范的、接口清晰的HLA-CLF节点。其作用主要包括：a、根据成员设计进行LabView仿真程序的I/O转换；b、对CLF-DLL调用进行参数检查和异常/容错处理；c、隐藏动态链接库函数输入/输出等细节，为上层的LabView成员框架程序提供透明的接口；d、释放不再需要的CLF-DLL模块。表2是HLA-CLF节点列表及其调用的CLF-DLL的相关说明。
表2HLA-CLF节点
LabView成员框架程序是图形化编程语言编写的联邦成员仿真流程控制程序，它通过调用HLA-CLF和已有的仿真程序模块，控制LabView成员的仿真流程和生命期，维护并更新仿真模型的状态，实现LabView成员与联邦中其它成员的交互。对于基于HLA的分布式交互仿真，不论仿真模型、对象交互如何变化，联邦成员在其生命期内的主要行为和基本流程大体都是相同的。参阅图4中LabView成员框架程序的示意图，该框架具有一般性，涉及到HLA六种管理服务中的联邦管理、生命管理、对象管理和时间管理。本发明基于此框架规范和设计LabView成员框架程序，在不同的仿真应用中，用户只需在图4中所示的开发接口部分添加相应的模块节点，如成员信息初始化、仿真模型调用、仿真模型I/O接口、交互处理等，而LabView成员框架程序的流程结构和一般性代码部分均无需改动，开发LabView联邦成员的工作量被降到了最低。需要说明的是，由于LabView无法实现多线程回调，故LabView成员即使通过enableAsynchronousDelivery打开异步传输模式，也无法即时响应交互，因此在LabView成员框架程序的设计中将响应交互统一放在timeAdvanceGrant之后进行处理。
为了证明本发明在LabView图形化环境中进行HLA协同仿真的能力，发明者开发了由LabView成员和MFC成员组成的测试联邦，开发及运行环境为运行环境为VS2003.net/LabVIEW8.2/MAK-RTI3.1/VR-Link3.9.6。测试联邦FOM中的对象类和交互类如表3所示。
表3测试联邦FOM中的对象类和交互类
两个联邦成员均设置为时间控制且受限，并打开异步传输功能。其中，LabView成员公布对象类LbvObj和交互类LbvInt，订购对象类MfcObj和交互类MfcInt；Mfc成员公布对象类MfcObj和交互类MfcInt，订购对象类LbvObj和交互类LbvInt；双方均仅维护一个本地实体。LabView成员图形化程序示意图参阅图5，其中包括：5个CLF节点，分别用于全局控制、对象属性更新、交互发送、对象属性反射和交互接收；1个信号源节点，用于控制LabView成员所维护的本地实体的dbAttr属性值；4个虚拟示波器节点，分别用于显示double类型的对象属性和交互参数随时间变化的情况；2个用户交互按钮，分别用于发送交互和LabView成员退出联邦。
在测试中，LabView成员所维护的lbvObjInst对象实例，其dbAttr属性值是仿真时间的正弦函数；MFC成员所维护的mfcObjInst对象实例，其dbAttr属性值是仿真时间的余弦函数。另外，LabView成员所公布的lbvIntInst交互类，其实例的dbParam参数值是当前仿真时间反射的mfcObjInst.dbAttr属性值；MFC成员所公布的mfcIntInst交互类，其dbParam参数值是当前仿真时间反射的lbvObjInst.dbAttr属性值。所有字符串类型的对象属性和交互参数均设定为固定值。
测试结果表明，各对象属性和交互参数均传输正常。其中，LabView成员前面板示波器的显示结果参阅图6。测试中将lbvObjInst.dbAttr和mfcObjInst.dbAttr的周期设置为差异较大的值，因而其波形能够在LabView成员前面板的两个对象属性示波器中显著区分，如图6中左上、右上所示；由于交互是瞬时的事件，不具有持续性，因此当发送/接收交互时，LabView成员前面板的交互参数示波器中会呈现脉冲形态的波形，如图6中左下、右下所示。
可见，利用本发明的方法，能够开发出基于图形用户开发环境的LabView联邦成员，充分发挥LabView在图形化编程和可视化仿真方面的优势。同时，本发明摒弃了异构仿真应用接入HLA系统时多采用的代理方法，在LabView进程和LRC之间建立了直接联系，维护了系统结构的一致性，确保了协同仿真的效率。本发明的方法不仅适用于面向各种HLA软件平台的LabView联邦成员开发，还为其它仿真软件(如Matlab、Scilab等)接入HLA/RTI仿真系统提供了重要的参考，在复杂大规模分布式交互仿真系统的构建方面具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的一些基本说明，依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)针对具体的RTI软件平台，根据仿真需求进行FOM(Federation Object Model，联邦对象模型)扩展，并将涉及的HLA服务和回调的复杂过程封装为结构化的联邦基础代码C++类；
(2)按照LabView调用C++语言程序的CLF(Call Library Function，调用库函数)接口规范，编写能够被CLF节点直接调用的动态链接库文件，称为CLF-DLL，从而建立LabVIEW图形化仿真程序与RTI服务函数的联系；另外，CLF-DLL还负责在LabView图形化仿真程序和联邦基础代码之间进行数据转换；
(3)将LabView通过CLF-DLL调用HLA各种服务的过程包装为CLF节点，称为HLA-CLF；
(4)利用HLA-CLF建立LabView联邦成员的仿真流程框架，调用LabView图形化仿真模型，在LabView图形化仿真模型I/O和SOM(Simulation Object Model，仿真对象模型)之间建立映射关系，形成独立、完整的LabView联邦成员。
2.根据权利要求1所述的支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)中封装为结构化的联邦基础代码C++类的过程为：将FOM中的对象类所涉及的公布、对象注册、对象删除和对象属性更新的HLA服务封装为公布对象类，将订购、对象发现和对象移去等服务和回调封装为反射列表类，将对象属性反射回调封装为反射对象类，并通过状态池类管理对象属性；将交互类所涉及到的公布、参数管理、交互发送的服务和操作封装为交互类，将订购、交互接收等服务和回调封装为交互响应函数；将对象属性和交互参数的编解码相关操作封装为对象编解码类和交互编解码类。
3.根据权利要求1所述的支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)中编写能够被LabView的CLF节点直接调用的CLF-DLL的过程为：通过CLF-DLL在LabView进程的堆空间中创建联邦成员生命期内所需的关键全局对象，使所述关键全局对象常驻内存，并将关键全局对象地址作为DLL导出变量导出，使后续的CLF-DLL调用能够对关键全局对象进行寻址，确保LabView联邦成员生命期的延续性。
4.根据权利要求3所述的支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)中数据转换的实现为：在所述联邦基础代码中，以C++类及其成员分别作为FOM中对象类及其属性、以及交互类及其参数的数据载体，而在LabView程序中则用模块节点的参数或信号瞬时值表示；CLF-DLL负责在C++类成员变量与LabView程序模块节点的参数或信号瞬时值之间进行转换。
5.根据权利要求1所述的支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中将LabView利用CLF-DLL调用HLA各种服务的过程包装为HLA-CLF节点的过程为：对LabView调用CLF-DLL的过程进行包装，根据成员设计进行I/O转换，隐藏动态链接库函数的输入/输出细节，对CLF-DLL调用进行参数检查和异常/容错处理，并释放不再需要的CLF-DLL模块，对上层的LabView成员框架程序提供规范透明的接口。
6.根据权利要求1所述的支持LabView图形化编程的HLA协同仿真方法，其特征在于：所述步骤(4)中建立LabView联邦成员的仿真框架程序，调用LabView图形化仿真模型，在LabView图形化仿真模型I/O和SOM之间建立映射关系，形成独立、完整的LabView联邦成员的具体过程为：析取HLA联邦成员的基本流程和主要行为，建立基于HLA-CLF的LabView联邦成员的图形化仿真框架程序，控制LabView成员的仿真流程和生命期；然后，针对具体的仿真应用，将已有的LabView仿真程序I/O接入相关的HLA-CLF节点。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170315 Termination date: 20180425 |
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