RCP'ye dayalı yerleşik hızlı geliştirme ve döngü içi donanım simülasyon teknolojisi
Günümüz toplumunda, çeşitli kontrol sistemlerinin araştırma ve geliştirme sürecinde, simülasyon, mühendislerin ürün performansını test etmeleri için önemli bir araç haline gelmiştir. Gömülü kontrol sistemlerinin erken geliştirme sürecinde, sistem geliştirmenin ilk aşamalarında etkili gerçek zamanlı doğrulama yöntemlerinin bulunmaması nedeniyle, tasarımcılar denetimleri gerçekleştirmeden önce sistem donanımının tamamlanmasını beklemek zorunda kaldı ve bu da genellikle yüksek bir fiyat gerektiriyordu. Daha sonra, Hızlı Kontrol Prototipi (RCP) teknolojisinin piyasaya sürülmesiyle, mühendisler, ürün performansının gerçek zamanlı tespiti amacına ulaşmak için genel amaçlı simülasyon bilgisayarlarında hızlı prototipler oluşturarak ürünleri simüle edebilir ve bu da geliştirme süresinden ve maliyetinden büyük ölçüde tasarruf sağlar. Geleneksel gömülü kontrol sistemi tasarımında, tasarımcılar MATLAB / Simulink'i hızlı bir şekilde nesne modelleri oluşturmak için bir ön uç modelleme aracı olarak kullanırlar, ancak karşılaştıkları sorunlar genellikle modellerin çalıştırılabilir koda etkili bir şekilde dönüştürülmesinin yanı sıra modelleme araçları ve gömülü geliştirme platformlarıdır. Bu adım, model derleme ve geliştirme ortamı yapılandırmasını içerir ve yine de çok sayıda manuel kodlama ve yerleşik sistem uzmanlığı gerektirir.
Bu tür sorunları çözmek için bu konu, gömülü projeleri grafiksel olarak yapılandırma amacına ulaşmak, çok sayıda manuel kod yazımından kaçınmak için hızlı kontrol prototipleme teknolojisine dayalı Simulink kitaplığına özel gömülü sistem entegrasyon modülleri eklemek için bir çözüm önerir. Hantal donanım parametresi yapılandırması.
1 Hızlı kontrol prototipleme teknolojisi
Hızlı kontrol prototipleme teknolojisi, Hızlı Prototip (RP) teknolojisinden kaynaklanmıştır. 1990'ların başlarında, araçlar için gömülü kontrolörlerin geliştirme süresini ve maliyetini azaltmak için Ford, hızlı prototipleme teknolojisini kontrolör geliştirme alanına tanıttı.Bu teknolojiye hızlı kontrol prototipleme teknolojisi denir.
RCP teknolojisi, esasen model tabanlı bir algoritma tasarımı ve yarı fiziksel simülasyondur. Saf matematiksel simülasyonun sınırlı güveni göz önüne alındığında, sonuçlar genellikle sadece referans içindir; RCP teknolojisi, araştırma ve geliştirme sürecine katılmak için yarı fiziksel simülasyona dayanır ve mühendis tarafından geliştirilen algoritma, gerçek zamanlı simülasyon bilgisayar donanım platformuna ve simülasyon makinesine ve ürün denetleyicisine indirilir. Tamamen tutarlı gerçek G / Ç bağlantı noktası, kontrollü nesneye bağlanır ve algoritmanın performansını doğrulamak için gerçek zamanlı simülasyon gerçekleştirilir ve hızlı ve tekrar tekrar değiştirilebilir ve son olarak hedef kodu oluşturup son ürünü oluşturmak için donanım sistemine yazabilir.
RCP teknolojisinin en büyük özelliği hızlı, basit ve ekonomik olmasıdır, bu da geliştirme verimliliğini büyük ölçüde artırır.Karmaşık programlama, matematiksel modellerin oluşturulmasıyla elde edilebilir.Mühendisin çalışmasının odak noktası, temel olarak modellerin kurulması ve algoritmaların tasarımına odaklanacaktır. Program hata ayıklaması ve fiziksel uygulama sorunları hakkında endişelenmek yerine. Pratik uygulamalarda, RCP simülasyonu başka bir yarı fiziksel simülasyonu tamamlayıcı olabilir - Döngüdeki Donanım (HIL) simülasyon sistemi.
Bu konu, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Concurrent iHawk paralel simülasyon bilgisayar sistemine dayanmaktadır.Şekil 1, hızlı prototipleme sistemi simülasyon platformunun şematik diyagramını göstermektedir.
Sistem aşağıdaki özelliklere sahiptir:
(1) Güçlü bilgi işlem yeteneklerine ve zengin, çok protokollü G / Ç arayüzüne sahip paralel bir simülasyon bilgisayarına sahip olmak;
(2) Çevrimdışı model ile çevrim içi model arasındaki kesintisiz dönüşüm Simulink ortamında gerçekleştirilir;
(3) Üçüncü taraf modelleme yazılımlarıyla uyumlu tam entegre bir ortam sağlayan Simulation Workbench simülasyon çalışma platformu;
(4) Simbox simülasyon bilgisayarında çift CPU paralel işlemci sistemi ve yerleşik A / D toplama kartı, zamanlama / sayaç kartı, çoklu seri bağlantı noktası kartı ve diğer kartlar ve bol G / Ç arabirimleri bulunur.
2 Tasarım ve süreç
2.1 Hava veri bilgisayarı
Bu konunun deneysel taşıyıcısı Hava Veri Bilgisayarıdır (ADC) Hava veri bilgisayarı, atmosferik veriler için bir işleme sistemidir.Modern uçaklarda çok önemli bir hava kaynaklı elektronik ekipman türüdür. Çekirdek olarak, genellikle aşağıdakiler dahil olmak üzere atmosferle ilgili diğer gerekli verileri hızlı bir şekilde hesaplamak için sensörden az miktarda bilgi kullanır: toplam atmosferik basınç, statik basınç, toplam sıcaklık, hücum açısı vb.
Geleneksel gömülü geliştirme süreci genellikle donanım tasarımını ve yazılım tasarımını ayırır, yani sistemin ihtiyaçlarına ve performansına göre modeller ve algoritmalar tasarlar ve ardından gömülü geliştirme kartı donanımını yerleşik model algoritmalarına göre yapılandırır. Bu nedenle, tasarımcılar için sadece tasarlanan sistemin bilgisine hakim olmak değil, aynı zamanda gömülü sistemin geliştirme süreci ve C dilinin programlanması hakkında da belirli bir anlayışa sahip olmak gerekir. Bu konudaki yenilik, hızlı kontrol prototipleme teknolojisine dayanan modelin, Simulink kitaplığı ile birlikte gelen RTW aracı kullanılarak hedef donanım platformu için gömülü C koduna dönüştürülebilmesi değil, aynı zamanda Simulink kitaplığına özel bir STM32 eklenmesidir. Gömülü projelerin grafiksel konfigürasyon amacına ulaşmak için entegre modüller, çok sayıda manuel kod yazmayı ve sıkıcı donanım parametresi konfigürasyonunu önler.
2.2 Algoritma tasarımı ve model oluşturma
İlgili literatüre göre, her çözüm parametresinin denklemleri aşağıdaki şekilde ifade edilmiştir.
(1) Barometrik yükseklik
H < 11000 m'de, troposferde,
Bilinen değeri değiştirin, Tb = 216,5 K, Pb = 22,632 kPa, Hb = 11000 m,
Formülde Ma, Mach sayısıdır.
(3) Belirtilen hava hızı
Belirtilen hava hızı, uçağın aerodinamik kuvvetini temsil eden gösterge hızı olarak da bilinen standart deniz seviyesinin atmosferik koşullarına dayalı olarak vakum hızının standart deniz seviyesine normalleştirilmesiyle elde edilen hız değerini ifade eder. Mach sayısı 1'den küçük olduğunda:
Yukarıda elde edilen denklemler, ADC giriş ve çıkış parametreleri arasındaki matematiksel ilişkiyi karakterize eden denklemlerdir ve ADC'nin atmosferik verileri hesaplaması için matematiksel temel oluştururlar Sonraki Simulink modellemesi, yukarıdaki matematiksel modeller setine dayanmaktadır.
2.3 STM32 ve Simulink'in entegrasyonu
Bu konudaki yenilik, hızlı kontrol prototipleme teknolojisine dayalı olarak, gömülü projeyi grafiksel olarak yapılandırma amacına ulaşmak için Simulink kitaplığına özel bir STM32 entegre modülü eklemek için bir çözümün önerilmesidir, böylece çok sayıda manuel kod yazımı ve hantal donanımdan kaçınılır. Parametre yapılandırması.
Geleneksel geliştirme sürecinde, Simulink ve STM32'nin belirli bir kombinasyonu vardır, ancak bu mükemmel değildir.Anahtar, Simulink'in yalnızca yerleşik matematiksel modeli oluşturup değiştirebilmesi ve C kodu üretebilmesi ve STM32 ile ilgili herhangi bir geliştirme ortamını içermemesidir. Yapılandırma ve orijinal Simulink, yalnızca genel amaçlı 32 bit işlemciler için sistem nesne dosyalarına sahiptir, bu nedenle oluşturulan kodun okunabilirlik ve taşınabilirlik açısından birçok kusuru vardır.
Bu nedenle, bu proje, STMicroelectronics tarafından resmi olarak piyasaya sürülen STM32-MAT / TARGET geliştirme aygıt yazılımı kitaplığını Simulink model kitaplığına entegre eder ve çevrimdışı model kurulumunu STM32 çevre birimi modülleri ile birleştirmek için Simulink'in güçlü grafik modelleme yeteneklerini kullanır. Hızlı kontrol prototip simülasyon modelinin yapımına dahil edilmiştir.
Şu anda ST resmi STM32-MAT / TARGET, F3 ve F4 serisi geliştirme kartlarını desteklemektedir.Yazılım kitaplığını indirip kurduktan sonra, MATLAB'ın pathtool komutu aracılığıyla ürün yazılımı kitaplığının yolunu eklemesine izin verin ve ardından STM32 ile ilgili entegrasyon Simulink model kitaplığında görünecektir. Modül.
Modül, MCU ve ADC, DAC, zamanlayıcı, seri port ve diğer çevre birimlerinin konfigürasyonunu içerir.Bu modüllerin çalışması temelde sıradan Simulink modülleri ile aynıdır.Tek fark, MCU saat sisteminin konfigürasyon ihtiyaçları ve bazı çevresel port seçimi Başka bir yazılım kullanın. Simulink'te, ilk olarak Şekil 2'de gösterildiği gibi hava veri bilgisayarının simülasyon modelini oluşturun.
Modelin temel fikri, giriş olarak statik basıncı, toplam basıncı ve toplam sıcaklığı almak, hava basıncı irtifasını, hava hızını ve diğer verileri ilgili modülleri aracılığıyla hesaplamak, bunları bir veri paketi çerçevesinde paketlemek ve ardından seri port modülüne göndermektir.
STM32CubeMX ve STM32-Mat / Target ve MATLAB / Simu-link kombinasyonu, karmaşık ve sıkıcı manuel programlamayı sezgisel ve basit grafiksel konfigürasyona dönüştürür. Model, modül bağlantısı aracılığıyla Simulink'te oluşturulur ve geliştirme ortamı yapılandırması, STM32CubeMX'teki grafik arayüz aracılığıyla tamamlanır.
2.4 Otomatik kod üretimi
RCP teknolojisinin en önemli araçlarından biri model tabanlı otomatik kod üretmedir. Model tabanlı tasarım, el yazısı kodu sürecini terk etmeli, algoritmanın geliştirilmesine daha fazla odaklanmalı ve kodu otomatik olarak hızlı ve verimli bir şekilde oluşturmak için Simulink'in grafik özelliklerini kullanmalıdır.
STM32 ile ilgili konfigürasyonlar Simulink'in simülasyon parametre ayarlarında görünecektir, tlc dosyalarının ve tmf dosyalarının seçimi ve STM32CubeMX tarafından oluşturulan ioc dosyalarının seçimi ve ardından kod raporları oluşturacaktır.
Son olarak, STM32CubeMX'te Keil MDK proje dosyalarını yapılandırın ve oluşturun.
2.5 Yarı fiziksel simülasyon ve sonuç analizi
Bölüm 2.4'te oluşturulan programı derleyin ve STM32 geliştirme kartına yazın, bilgisayara bağlanmak için RS232 seri bağlantı noktasını kullanın ve verileri almak ve görüntülemek üzere paketini açmak için Simulink aracılığıyla bilgisayarda Şekil 3'te gösterilen programı oluşturun.
Bir Simbox simülasyon bilgisayarı, ilgili ham verileri ADC prototip sistemine gönderen bir veri gönderme modeli oluşturmak için kullanılır. Model, kodu Simulation Workbench ortamında derler ve RTDB değişkenleri oluşturur.Orijinal veriler, RTDB değişkenleri aracılığıyla simülatörün MOXA CP-118EL-A çoklu seri port kartına eşlenir ve ardından ADC prototip sisteminin USART3'üne transfer etmek için RS232 donanım protokolünün seri portunu kullanır. Seri port üzerinden gönder STM32 orijinal veriyi aldıktan sonra ilgili atmosferik veriyi hesaplamaya başlar.
Şekil 3'te gösterilen ikinci simülasyon programları kümesini çalıştırırken, veri aktarımı için STM32'yi açın ve verilerin beklenen sonuçlarla tutarlı olup olmadığını gözlemleyin Sonuçlar Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekil 4'te, beş çıktı verisi seti; basınç rakımı, Mach numarası, statik sıcaklık, belirtilen hava hızı ve vakum hızıdır. Noktalı çizgi, orijinal ADC modelinin matematiksel simülasyonu ile elde edilen çıktıyı temsil eder ve çizgi, döngü içinde donanım simülasyon PC'si tarafından alınan fiili temsil eder. ADC prototip sistemi ile çözülen hava verileri. Gerçek verilerin beş setinin teorik verileri iyi takip edebildiği görülebilir, bu da hızlı prototipleme sisteminin ve oluşturulan programın teorik matematiksel modelle tutarlı beklentilere ulaştığını gösterir. Şekil 4 (a), (c), (d), (e) 'deki gerçek eğriler nispeten pürüzsüzdür, geçiş doğaldır ve iyi sonuçlar elde edilmiştir; Şekil 4 (b)' de Mach sayısı 10-2 ~ 10- arasında değişir 3 büyüklük mertebesinde, dalgalanma göreceli olarak ciddidir, bu nedenle gerçek eğri nispeten pürüzlüdür ve sonraki araştırmalarda filtreleme ve diğer işlemler yoluyla daha yumuşak bir eğri elde edilebilmesi beklenir. Genel olarak, kurulan ADC prototip sistemi iyi sonuçlar elde etti.
3 Sonuç
Bu konu, RCP teknolojisine dayalı analiz temelinde, STM32-Mat'ı MATLAB / Simulink'e entegre ederek, STM32CubeMX konfigürasyon geliştirme ortamı ile birleştirilmiş bir yazılım kütüphanesi geliştirmek ve bu yöntemi başarıyla uygulamak suretiyle STM32 projelerinin hızlı gelişimi için bir yöntem önermektedir. Aviyonik hava veri bilgisayarına gömülü yazılım mühendisliği uygulamasında.
Bu konuda kullanılan STM32 geliştirme kartı, kurulu hızlı prototipleme sistemine eşdeğerdir.Gelecekteki ürün-hava veri bilgisayarı ile aynı fonksiyonlara ve zengin I / O arayüzlerine sahiptir, bu nedenle yarı fiziksel simülasyon için bir prototip sistemi olarak kullanılabilir. STM32-MAT / TARGET'in işlevi, STM32'nin çeşitli modüllerini Simulink kitaplığına entegre etmektir, böylece otomatik kod oluşturma işlevi kullanılarak gömülü koda hızla dönüştürülebilir. STM32CubeMX, temel ortamın grafiksel ve sezgisel konfigürasyonu için kullanılır. Üçünün kombinasyonu hızla bir prototip sistem oluşturabilir ve "ürünün" yarı fiziksel bir simülasyonunu gerçekleştirebilir. Ve sorunlarla karşılaştığınızda, model üzerindeki STM32 modülleri dahil tüm bağlantıları doğrudan değiştirebilirsiniz.Geleneksel gömülü geliştirmede, modelin değiştirilmesi gerekliliğinin yanı sıra, programın ve geliştirme ortamının yeniden işlenmesi çok zaman alır. Yapılandırma, en önemlisi STM32-MAT / TARGET desteği olmadan modelin ürettiği kodda STM32 ile ilgili modüller ve tlc gibi yapılandırma dosyalarının olmamasıdır.Geliştirme kartına adapte olma sürecinde pek çok sorun çıkacaktır.
Bu nedenle, bu başlıkta önerilen RCP teknolojisi, gömülü geliştirme için STM32-MAT / TARGET ve STM32CubeMX ile birleştirilerek, hızlı bir prototipleme sistemi kurar ve orijinal bazda büyük ölçüde zaman ve maliyet tasarrufu sağlayabilen ve geliştirme verimliliğini artıran yarı fiziksel simülasyonu gerçekleştirir. Mühendislik değeri.
Referanslar
Yang Xiangzhong, An Jinwen, Cui Wenge Hızlı kontrol prototip simülasyon teknolojisinin uygulanması Aerospace Control, 2009, 27 (2): 72-75.
GREPL R, LEE B. Bir Rapid-Control Prototyping tekniği kullanarak otomotiv elektronik gaz kelebeğinin modellemesi, parametre tahmini ve doğrusal olmayan kontrolü International Journal of Automotive Technology, 2010, 11 (4): 601-610.
Xu Haziran Uçuş kontrol sistemi: tasarım, prototip sistem ve yarı fiziksel simülasyon deneyi Pekin: Beijing Institute of Technology Press, 2015.
HUANG G, ZHAO L, LI Y, ve diğerleri.İHA görüş hattı stabilize kontrol sisteminin hızlı prototipinin tasarımı.Foto-Optik Enstrümantasyon Mühendisleri Derneği, 2018.
MAO R, LI X G, PAN B F.Yeraltı yeniden kullanılabilir fırlatma aracı için kontrol sistemi hızlı prototipleme tasarımı Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2014, 22 (23): 107-113.
Dong Zhe, Liu Ningyong, Sun Dehui.RTW ve Linux'a dayalı hızlı kontrol prototip teknolojisi araştırması Bilgisayar Ölçümü ve Kontrolü, 2012, 20 (9): 2420-2422.
YE Y L, ZHAO R.Sualtı araçlarının kontrol sistemleri için hızlı prototip tasarımı Bilgisayar Simülasyonu, 2012, 29 (3): 378-381.
SHATRI V, KURTAJ L, LIMANI I. Ball-and-Beam Plant için CMAC Sinir Ağı Denetleyicisinin Hızlı Prototiplenmesi için MATLAB / Simulink ve QuaRC ile Döngü İçinde Donanım Mimarisi. Bilgi ve İletişim Teknolojisi, Elektronik ve Mikroelektronik Hakkında Uluslararası Sözleşme , 2017: 1201-1206.
GREPL R. MATLAB / Simulink'te gerçek zamanlı kontrol prototiplemesi: mekatronikte araştırma ve eğitim araçlarının gözden geçirilmesi. IEEE Uluslararası Mekatronik Konferansı, 2011: 881-886.
BUCHER R, BALEMI S. Matlab / Simulink ve Linux ile hızlı kontrolör prototiplemesi Control Engineering Practice, 2006, 14 (2): 185-192.
Hao Xuyao. İHA için hava veri işleme ve hesaplama sisteminin araştırma ve tasarımı. Şangay: Shanghai Institute of Technology, 2015.
Ma Juan. Dijital hava veri bilgisayarının yazılım tasarımı ve uygulaması Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2012.
Guo Fengjuan. ARM'ye Dayalı Hava Veri Bilgisayarının Tasarımı ve Geliştirilmesi. Shenyang: Havacılık ve Uzay Bilimleri Shenyang Üniversitesi, 2012.
yazar bilgileri:
Huang Yuke, Xu Jun, Yu Jianghang
(Astronotik Okulu, Pekin Teknoloji Enstitüsü, Pekin 100081)
