Ускоренное прототипирование и полунатурное моделирование

Майк Диккенс, Control Engineering

В течение последних 15-20 лет системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования помогают проектировать более совершенную электронику систем управления. В настоящее время новые технологии расширяют применение таких систем для ускоренного проектирования.

Новые системы позволяют тестировать прототипы электронных компонентов в реальном времени с помощью модельного окружения, уменьшая необходимость проведения дорогостоящих или разрушающих испытаний.

Первые системы прототипирования давали возможность инженерам с помощью тестирования проверять алгоритмы новых проектов и интеграцию программного и аппаратного обеспечения на начальном этапе проектирования. Эти оригинальные системы, представлявшие, как правило, специализированные макетные установки, разрабатывались в автомобильной и аэрокосмической отраслях.

Эта графическая модель может быть запущена и испытана для проверки работы системы управления и целостности модели установки

Сравнительно недавно на рынке появились коммерческие модели программных и аппаратных систем, которые смогли обеспечить возможности быстрого прототипирования и полунатурного моделирования. Фирмы-поставщики предлагали стандартные конфигурации систем, обычно базирующиеся на цифровых сигнальных процессорах (DSP) или на продвинутых микропроцессорах, например Digital Alpha или PowerPC.

Промышленное применение

Коммерческие системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования были особенно востребованы в автомобильной промышленности. При проектировании автомобилей ввод/вывод данных для таких функций, как опережение зажигания и угол поворота коленчатого вала, осуществлялся с помощью стандартных интерфейсных плат. Одновременно с внедрением этих систем стали доступны инструментальные средства моделирования систем, которые позволяли определять алгоритмы и интерфейсы в графическом виде, а также воспроизводить поведение моделей систем управления на рабочей станции или персональном компьютере. После первоначального имитационного моделирования средства моделирования сопрягались с системами быстрого прототипирования и полунатурного моделирования с помощью автоматически генерируемого кода прототипирования. Поскольку средства моделирования систем могли использоваться совместно с системами быстрого прототипирования, то они стали неотъемлемой частью процесса проектирования средств управления автомобилем. Системы быстрого прототипирования включали как надежные бортовые системы, так и боль-шие монтируемые в стойке системы, поддерживающие большое число каналов ввода/вывода. Стандартным процессором для систем прототипирования был DSP или Digital Alpha.

Контроллер на рисунке „Блок-схема системы управления” взаимодействует с установкой или двигателем через исполнительные устройства и считывает значения или сигналы от датчиков на установке, образуя замкнутую систему управления, типичную для автомобильного или аэрокосмического дизайна. Эта графическая модель может быть запущена и испытана для проверки работы системы управления и целостности модели установки.

На рисунке „Автоматическое генерирование кода” (стр. 48) показано использование автоматически генерируемого программного кода со стороны управления модели для запуска системы быстрого прототипирования, которая тестирует алгоритмы управления в реальном времени на промышленном оборудовании быстрого прототипирования. Подобным же образом автоматически генерируемый программный код со стороны установки модели может применяться в моделировании откликов и работы установки с целью тестирования прототипных контроллеров в реальном времени на промышленном оборудовании полунатурного моделирования.

В то время как автомобильная отрасль приняла на вооружение системы быстрого прототипирования, аэрокосмическая промышленность нашла существенную выгоду в применении систем полунатурного моделирования. Аэрокосмические компании обнаружили, что они могли бы моделировать полет и характеристики окружающей среды для своих самолетов, ракет и спутников. Они разработали сложные модели систем на языке Фортран и проверили их на аппаратуре реального времени, по своей концепции схожей с аппаратурой, используемой автомобилестроительными компаниями для быстрого прототипирования. Более сложные модельные конструкции были использованы для симуляции моделей и генерирования кода, который мог бы заменить предыдущие модели на Фортране, применявшиеся в системах аппаратного тестирования.

Ранее системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования разрабатывались либо автомобильными и аэрокосмическими компаниями, либо поставщиками фирменных систем. Это были уникальные встроенные системы, которые требовали внутренней поддержки и обслуживающего персонала. Фирменные поставщики предлагали ассортимент стандартных конфигураций и, при необходимости, предоставляли годовые контракты на техническое обслуживание и клиентскую поддержку. Системы обоих типов были довольно дорогими, что ограничивало их применение компаниями с соответствующим бюджетом.

Автоматическое генерирование кода применяется для быстрого прототипирования, полунатурного моделирования и развертывания встроенных систем

Прототипирование на базе ПК

Около пяти лет назад появились первые системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования на базе ПК x86. Хотя эти системы и стоили гораздо меньше, считалось, что у них отсутствовал уровень сложности или производительности, присущий системам на базе DSP-процессоров. Такие системы поддерживались стандартными процессорами персональных компьютеров и платами сбора данных, получившими широкое распространение. Поскольку эти системы могли использовать x86-й процессор любого типа или размера, полученная система имела широкий диапазон соотношений цена/производительность. Такая масштабируемость обеспечивала преимущества, заключающиеся в повышенной производительности процессоров ПК и снижении цены на память, причем все компоненты имелись в продаже. Но первоначальная реакция отрасли была скептической, производители выражали сомнение по поводу способности компьютера Intel 486 или Pentium (или их аналогов) работать в реальном времени на сложных моделях. Считалось, что ПК были не способны выполнять такие сложные процессорно-зависимые задачи, как быстрое прототипирование или полунатурное моделирование.

Управление требованиями и версией

Однако такие компании, как Eaton и Caterpillar, привлеченные ценой и возможностью масштабирования систем на основе ПК, начали тестирование и определили, что персональные компьютеры могут выполнять значительное количество задач по быстрому прототипированию и полунатурному моделированию. Они стали устанавливать системы на базе ПК на существующее оборудование с гораздо меньшими затратами на одну систему. Первые эксперименты обеих компаний привели в результате к тому, что теперь большая часть их деятельности была сосредоточена на этих средствах в рамках процесса разработок встроенных систем управления.

Компания Eaton, производитель трансмиссионных компонентов для грузовых автомобилей, сконструировала гибкий прототип комбинированного грузового автомобиля для средних условий эксплуатации, который был оборудован блоком управления, разработанным с помощью средств модельного проектирования. Поскольку эта гибридная трансмиссия представляла собой прототип, Eaton испытала всю систему на работающем в реальном масштабе времени динамометрическом стенде с компьютерным управлением. Инженеры Eaton разработали и исполнили ряд различных сценариев испытаний и перед испытаниями в реальных дорожных условиях протестировали все компоненты в лаборатории. Eaton тестировала блок управления как часть всей системы на комбинированном стенде для быстрого прототипирования и полунатурного моделирования.

Чтобы снизить затраты времени и средств, а также свести к минимуму опасные факторы, связанные с дорожными испытаниями, Eaton также по-требовалось разработать имитатор для полунатурного моделирования. Данный имитатор должен был сымитировать в реальном времени всю силовую цепь грузовиков в средних и тяжелых условиях эксплуатации (включая динамику двигателя, основную муфту сцепления, трансмиссию, карданный вал, покрышки и дорогу). Имитатор также должен был иметь электрическую связь с рычагом переключения скоростей, регулятором трансмиссии и другими системами автомобиля, обеспечить подачу и получение сигнала, а также автоматизированное тестирование с использованием эксплуатационных данных.

Оценив различные доступные варианты по себестоимости, продолжительности разработки, риску, возможностям устройств ввода/вывода, ремонтопригодности, гибкости, особым требованиям к драйверам и возможностям связи, инженеры Eaton пришли к заключению, что наилучшим решением будет применение систем на базе ПК. Такое решение позволит им применять стандартные устройства ввода/вывода на базе ISA, PCI и PC/104, значительно снижая общие финансовые и временные затраты на разработку. Данное стандартное оборудование также обеспечит максимальную гибкость, выполнение специальных требований по драйверам и возможности связи и будет легко обслуживаться.

В последние годы существенно увеличилась поддержка, которую компьютерные системы быстрого прототипирования предоставляют устройствам ввода/вывода. Поддержка простого аналогового и цифрового ввода/вывода, а также поддержка счетчиков/таймеров теперь дополнена более совершенной поддержкой широтно-импульсной модуляции, энкодеров, линейных/ вращающихся дифференциальных трансформаторов, синусно-косинусных вращающихся трансформаторов и других расширенных возможностей ввода/вывода. Наличие компонентов компьютерного аппаратного обеспечения в сочетании с поддержкой программных драйверов, а также быстрый рост производительности процессоров ПК подняли компьютерные системы быстрого прототипирования на уровень производительности, сравнимый с уровнем фирменных систем, с меньшими затратами и коммерчески доступным оборудованием. Благодаря повышению производительности и возможностям ввода/вывода целый ряд автомобилестроительных и авиакосмических компаний ввел в свои процессы проектирования компьютерные системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования.

Среди старших моделей в области систем полунатурного моделирования выделяется разработанная крупным поставщиком систем для аэрокосмической техники впечатляющая система скоростного ввода/вывода на базе стандартного настольного компьютера Dell 3 ГГц с процессором Intel Pentium 4, сопряженного с двумя картами расширения шины PCI. Конфигурация, в которой центральный процессор отделен от устройств ввода/вывода, в дальнейшем позволит легко заменить его более мощным. Данная система допускает расширение максимум до 28 PCI-плат ввода/ вывода, что позволяет подключить 288 16-битовых цифроаналоговых каналов и 128 16-битовых аналого-цифровых каналов на первой плате расширения.

Вторая плата расширения PCI шины обеспечивает специальные возможности ввода/вывода, предлагая 384 цифровых линий ввода/вывода, которые используют 16 модулей цифрового ввода/вывода с программируемым порогом, размещенных на четырех платах. Три платы линейных дифференциальных трансформаторов (LVDT) обеспечивают 24 входа и 18 выходов LVDT, которые применяются для управления линейным перемещением. Эта система полунатурного моделирования теперь применяется для имитации факторов окружающей среды в конструкции нового большого самолета.

Наряду с автомобильной и аэрокосмической отраслями

Экономическая эффективность компьютеризованных систем быстрого прототипирования и полунатурного моделирования означает, что эти системы могут теперь применяться для задач с меньшим бюджетом. Инженеры из автомобильных и аэрокосмических компаний привнесли концепции проектирования в другие отрасли, включая медицинское, промышленное и компьютерное оборудование. В эти отрасли в последние годы была поставлена одна треть компьютеризованных систем быстрого прототипирования и полунатурного моделирования.

В области медицинской техники компании применяют данное оборудование для полунатурного моделирования различных функций организма. Прототипы устройств, находящихся в процессе разработки, моделируют сердце. Различные типы аппаратных компонентов медицинских устройств используют быстрое прототипирование алгоритмов управления. Некоторые устройства используют робототехнику и тактильные системы, которые можно легко спроектировать, применяя средства быстрого прототипирования. Другой вариант применения в медицине предусматривает имитацию медицинских условий для помощи в обучении врача.

Сосудистые инжекционные насосы, разработанные компанией Medrad, помогают врачам обнаружить закупорку артерий, осветить отдельные кровеносные сосуды и оценить общее состояние работающего сердца с помощью рентгеноскопии и магнито-резонансной томографии. Применяя различные компьютеризованные средства прототипирования, Medrad получила полунатурное моделирование гидродинамики сосудистых инжекционных насосов и сосудистой системы человека. Это моделирование в реальном времени позволяет Medrad уменьшить количество испытаний с применением реальной жидкости, которое обычно требуется для подтверждения достоверности конструкции контроллера насоса.

Gulf Coastal Group из Micro Systems Engineering Inc. использует модельное проектирование для ускорения исследования с целью разработки таких имплантируемых медицинских устройств, как электронный стимулятор сердца. Данная компания использует тестовую конструкцию для начального моделирования и симуляции перед переходом к быстрому прототипированию своих алгоритмов. Используя возможности экономичного прототипирования, компания может осуществлять анализ данных и функции имитации, а также реализовать гибкую, действующую в реальном масштабе времени систему для тестирования исследовательского оборудования и новых алгоритмов анализа.

Несколько компаний-производителей компьютерного оборудования в настоящее время пользуются быстрым прототипированием для разработки систем управления большими принтерами и копировальными аппаратами. Области приложения включают быстрое прототипирование и полунатурное моделирование механики принтеров и копирующих устройств, в частности, движения бумаги через сверхбольшие печатающие устройства.

Компания Whirlpool занимается быстрым прототипированием новых идей в бытовой технике с помощью потребителей. Работа стиральных машин, сушилок и кухонных плит прототипируется в тестовых образцах для испытаний в пользовательском режиме для тестирования новых конструкций и идей. Эти компьютеризованные системы прототипирования предоставляют компании Whirlpool среду отладки для разработки новых систем и тестирования алгоритмов управления и пользовательских интерфейсов.

Майк Дикенс является менеджером
по техническому маркетингу в MathWorks;
www.mathworks.com.

---

О понятии „ускоренное прототипирование”:

Понятие „ускоренное прототипирование” имеет особый смысл в каждом конкретном случае. Речь может идти, например, о создании трехмерных моделей объектов, об исследовании деталей перед серийным производством, о тестировании кода для специализированных интегральных микросхем с помощью технологии ПЛИС. В данной статье рассматриваются методы ускоренного прототипирования, применяемые для тестирования управляющих алгоритмов в условиях реального времени, перед запуском программы непосредственно на встраиваемой системе, что является основной задачей инженеров, занимающихся моделированием систем управления.