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1、硬件在环仿真系统的软硬件基础清华大学朱辉北京轻型汽车有限公司王丽清北京理工大学程昌圻(北京100084)摘要本文总结了硬件在环仿真系统的硬件结构特点和软件开发环境特点,介绍了硬件在环仿真系统软硬件在国内外的发展状况,提出了软件在环仿真与硬件在环仿真相结合的设计思想并给出了实现方法。关键词硬件在环仿真软件硬件1前言硬件在环仿真系统(Hardware2In2the2LoopSimulationSystem,简称HILSS)是在计算机软硬件技术发展到一定程度之后才出现的一种集多种技术于一体的综合系统。该系统在其体系结构、软硬件构成及开发环境、开发方法方面都有自己的特点。1.1硬件特点硬件在
2、环仿真的实时性和硬件在环的要求决定了其硬件系统具有以下特点:(1)高速运算能力,以满足实时性或严格的时间要求;(2)高速而适应面广的I/O接口,以适应控制器硬件及传感器、执行器不断更新换代;(3)体积小、轻便,适于在不同的实验室及随车使用;(4)可扩展性好,以满足控制器控制项目的增加及控制复杂性不断提高的要求。1.2软件开发环境作为重要的研究开发工具,它应具有的作用决定了其软件系统应具有以下特点:(1)模型编程过程简单;(2)灵活而友好的人机交互能力;(3)强大的数据记录及后处理能力。2HILSS软硬件系统发展状况HILSS的软硬件特点决定了该系统应采用由多个微处理器组成的多处理器结
3、构,而不是使用大型超级计算机。自80年代中期以来,用于实时仿真与硬件在环仿真的软硬件系统,在发展过程中出现了以下三种形式。1.第一种形式由开发人员通过购买商品化的处理器模板组成多处理器系统,专用接口模板自主设计。典型结构如图1所示1,2。图1普通多处理器系统结构2.第二种形式第二种形式是ADI专门为实时动态仿真设计的计算机系统———ADRTS(AppliedDynamicsReal2Time2Station)。它由高速计算发动机和高速I/O系统组成3。其典型结构如图2所示。3.第三种形式第三种形式是dSPACE公司生产的面向实时仿真和高速I/O处理的硬件系统,其典型结构如图3所示4。
4、图2ADRTS系统硬件结构图3dSPACE高速处理系统结构3发动机ECU硬件在环仿真系统的国内外研究状况3.1国外发展状况到目前为止,查到的文献介绍的系统有两种。第一种是德国勃朗施威格工业大学电子测量技术和基础电子技术学院的威施明(U.Varchmin)教授等人开发的汽车信号发生器(简称MOSIG)。第二种是ADI公司开发的汽油机ECU硬件在环仿真系统。下面分别介绍。1.MOSIG90年代第一次发表文章5简要介绍了MOSIG的功能及其硬件结构。它是一个既可与PC机通过RS-232串行通讯口联机使用,也可独立使用的试验设备。它的CPU是一个16位MCS-96系列单片机,计算能力有限。在
5、当时仅仅是作为一个汽车信号发生器来介绍。1994年在《MTZ》上发表文章6再一次介绍MOSIG。由文章看来,MOSIG的硬件结构没变,只是增加了PC机上软件的功能。它所使用的发动机模型是基于三维特性图的准线性模型。通过查表与插值来计算发动机的输出参数,并且它可以在PC机上利用数学表达式来产生所需要的信号形状。MOSIG是用于汽油机ECU开发的。2.ADI公司研制的发动机ECU硬件在环仿真系统对ADI公司的动态仿真计算机ADRTS于第2节已作介绍,其功能组成、硬件结构与信号流图如图4所示。图4ADI的ECU硬件在环仿真系统信号流图油机ECU硬件在环仿真系统7给出该系统的总体描述。(1)
6、设计目的为柴油机ECU软硬件的开发与测试提供性能优良的开发工具,把以前ECU开发阶段需要在发动机试验台上所做的大量工作转换到计算机室,通过ECU硬件在环仿真来完该系统的特点是:(1)硬件功能强大,采用多处理器并行处理系统,处理速度快;(2)发动机模型采用非线性模型。此系统也是针对汽油机的。3.2国内发展状况1997年北京理工大学成功地研制出柴。本节简要成。这样既省人力、物力与实验费用,又大大缩短了开发周期。(2)HILSS的组成HILSS是一个由PC机作为宿主计算机的紧密耦合多处理器并行系统,整个系统由三个子系统组成:发动机模型实时计算系统、接口管理系统和监控系统(见图5)。每个子系
7、统由一个独立的处理器来完成。(4)系统功能HILSS具有以下功能:1.在ECU硬件在环情况下能进行发动机稳态工况与过渡工况的实时仿真;2.能进行ECU及齿杆位移执行器和齿杆位置传感器在环的实时仿真;3.能选择发动机状态参数和控制参数进行图形化和数字化实时显示;4.能对仿真结果进行有选择的存储,并可进行离线处理;5.也可以把ECU以模型形式集成于仿真系统构成软件在环仿真系统;6.能对仿真结果数据文件及结果曲线进行打印输出。(5)系统特点HILSS具有以下特点
