使用LabVIEW快速建立控制原型及硬体迴圈模拟

本文讨论如何使用NI（National Instruments）软硬件快速建立控制原型（rapid control prototyping）和硬件迴圈（HIL）测试，来加速模型式控制系统（model-based control system）的开发。产品开发程序
图1是经常用于描述嵌入式控制系统开发循环的「V流程图」。最初这个流程图用来囊括许多不同的软件应用程式的设计程序，但是你可以找到这个流程图的许多版本，用于描述各种产品设计循环。在这里，我们列出一个流程图的范例，这是汽车、航太、及国防应用常见的嵌入式控制应用程式的设计循环。
　

快速开发的目标是将设计中所需要的重复工作减到最少，让这个循环尽可能提高效率。如果将流程图的X轴想像为时间，则目标是将流程图的两边尽可能拉近，使V尽可能变窄，因此而加快开发时间。藉由使用NI平台，你可以加快快速原型建立和HIL阶段的速度，但是我们要迅速浏览一下V的模型建立及设计阶段。

 模型建立及设计
要透过模型式设计来缩短V字，关键之一是尽早在设计阶段中开始开发嵌入式控制。使用模型，就可以在还没有硬件原型之前，先开始模拟控制行为。此外，可以重复使用先前设计所使用的模型，进一步减轻制作模型的工作。如果已有原型或现有的硬件，则可使用真实世界的输入／输出资料来补足模型建立作业，使用各种工具（例如NI LabVIEW系统辨识工具组(System Identification Toolkit)）运用系统辨识技术来制作模型。

LabVIEW或MATRIXx之类的软件工具在互动式环境中提供多种高级控制设计工具，帮助设计者快速评估控制系统，不需要硬件原型。这种功能让设计工程师有能力立即判断规格、需求、以及模型的错误，不需要等到设计流程后期才进行测试。

工程师使用各种工具来建立控制系统的模型及进行设计。利用NI LabVIEW控制设计工具组(Control Design Toolkit)，你可以使用图形化工具来设计及分析控制系统。NI LabVIEW模拟模组(Simulation Module)将动态系统模拟整合至LabVIEW环境中。你可以在程式区中，从模拟节点里面，建立线性、非线性、离散、以及连续机器设备或控制系统的模型，然后在Windows或即时硬年中执行模拟。

NI MATRIXx系列产品是一套完整的控制设计软件套件，其中包括SystemBuild这套使用简易的图形化环境，用于快速开发模型及模拟。SystemBuild是开发及管理大型复杂模型的优异环境。

除了National Instruments的模型制作及设计软件工具之外，NI平台也开放接受整合其它软件制作的模型及程式码，包括在The MathWorks, Inc. Simulink®软件环境、MSC CarSim等开发的模型，以及在C、Fortran等语言中手动撰写的模型。由于NI软件及硬件採用开放技术，你几乎可以从任何软件中设计模型。

 连结LabVIEW与Simulink软件
LabVIEW模拟界面工具组(Simulation Interface Toolkit)用来和Simulink环境通信。此外，这套工具组加入专利的使用者界面工具，用于检视及控制Simulink环境中的资料。Simulink软件的使用者可以使用LabVIEW在桌上型电脑执行离线模拟，或是将动态模型下载至即时系统中，进行快速控制原型制作或HIL测试。

为了获得即时的佈署功能，使用The MathWorks, Inc. Real-Time Workshop®软件配合模拟界面工具组中的额外元件，可以从模型中产生程式码，然后再于即时环境中执行。

 为模拟模型建立LabVIEW使用者界面
LabVIEW模拟界面工具组将LabVIEW为数众多的使用者界面功能引进仪器模拟模组中。你可以使用LabVIEW所有的视觉化控制器及指示器，例如旋钮、滑动轴、图表、图形、按钮、以及LED来建立你的客制人机界面。

要预备模型以进行连接，你只需要把NI Signal Probe区块放进模拟流程图中即可。在安装LabVIEW模拟界面工具组之后，可以在Simulink环境中找到这个NI Signal Probe区块。随后你可以使用SIT Connection Manager，从LabVIEW控制器和指示器建立映射(mapping)至模型的任何信号或参数。
　

在完成映射之后，LabVIEW会自动产生将LabVIEW VI与模型建立连结的程式码。你可以修改参数，并在执行时检视模拟信号。

 即时软件
在执行软件模拟之后，你可以进入模型的即时佈署阶段。National Instruments提供大量的即时软件及硬件，非常适合让模型进行决定性执行，以及和大量的I/O互通。

LabVIEW即时模组(Real-Time Module)扩充LabVIEW的功能，使它能够以现成的即时目标为目标。利用LabVIEW Real-Time，LabVIEW的程式码可以用真正的即时效能来执行，循环时间(cycle time)在数百微秒内，而且抖动(jitter)很低。

利用LabVIEW FPGA Module，你可以建立客制的HIL设备，以产生迅速变动的信号（例如来自传动轴、凸轮轴的信号，或是LVDT等位移仪的信号）。利用FPGA，你也可以撷取信号，并执行板上处理，进行PWM信号调变、解码客制数字通信协定，以及消除模拟信号等操作。

 即时硬件National Instruments建议多种平台供HIL及RCP应用，视应用环境所需的I/O及处理需求而定。National Instruments PXI平台是一种高效能系统，专为测试和量测而设计，是HIL应用的理想平台。标准的PC也可以做为即时目标。这种解决方案可以应用在研究实验室中，供使用少量I/O通道的控制器使用。CompactRIO则是一款具弹性的平台，适合用于控制系统的原型制作。
　

　  在CompactRIO上快速建立原型
由于软件模拟无法满足实际的动态环境的所有独特行为，因此必须开发硬件原型，以协助在真实环境中测试控制运算法。这个快速控制原型的建立就是控制设计V流程的第二阶段。如图所示，控制器的设计在即时环境中进行测试，并连接至真实或模拟机体。这个步骤可以在设计流程初期，即对于模型的保真度以及控制设计提供绝佳的验证及可用性回馈，得以在完成生产系统的设计之前，即对控制器和硬件设计及需求做进一步的修正。
　

你可以使用任何一种NI即时硬件平台来佈署原型；但是，CompactRIO因其封装、坚固、以及弹性，因此最为理想。CompactRIO嵌入式系统包括一个即时处理器，可以执行控制运算法、执行资料记录、提供网页等等。CompactRIO也整合在FPGA的机箱中，为高速信号撷取和产生提供弹性及效能。利用CompactRIO，你可以使用立即可用的模组和真实世界的信号通信（例如模拟、数字、CAN、PWM、MIL-STD-1553，以及ARINC-429）。

请阅读这份用户解决方案了解Drivven Inc.如何使用CompactRIO为机车ECU进行原型建立而节省了廿一个月的工程时间。

 以即时方式佈署在Simulink环境中开发的控制模型
透过Real-Time Workshop以及Microsoft Visual Studio编译器，在Simulink环境中开发的模型可以用来自动产生可供LabVIEW唿叫的DLL。
　

利用SIT Connection Manager，你可以轻松地设定将做为模拟模型输入埠及输出埠的真实世界I/O。你可以透过这个界面设定NI资料撷取设备、FPGA设备、以及CAN设备的组态。随后LabVIEW产生具备I/O撷取及产生的程式码、能与机器设备互动的模型操作程式码。 

在执行该LabVIEW VI时，程式码会自动被下载至即时硬件，供模型进行决定性的执行。操作员界面透过目标与主机间的乙太网路连线进行更新。（点选此处观赏使用LabVIEW即时佈署模拟模型展示 ）

 佈署目标
在这个阶段之后，控制器即佈署于目标硬件上，目标硬件可以是电子控制单元(ECU)、商业即时可用控制器及机箱系统（例如PXI和CompactRIO）、或是客制硬件。工程师可以根据控制器模型，手动制作目标软件程式、使用LabVIEW Embedded之类的自动化程式码产生工具、或是混合使用二者，以完成目标佈署。  使用PXI进行HIL测试
在HIL测试中，设计者可以模拟最后系统的即时行为及特性，以验证生产系统控制器，不需要实体硬件或操作环境。正如图中所示，控制程式码在目标控制器硬件上执行，而机器设备则在一部测试电脑上以即时方式进行模拟。
　

在这个测试阶段中，重要的是测试控制器的完整功能。虽然你可以将目标硬件与真正的机器设备连接，但是使用模拟的机器设备（例如引擎）来进行测试有几个好处。HIL测试器要比实体引擎更节省成本，而且更容易重制。模拟的引擎也可以模拟多种作业状况，甚至错误情况（例如引擎失效），而对于真实机器设备而言，这样做过于困难、成本高昂，而且／或是危险。

PXI是HIL系统的理想平台。PXI採用CompactPCI标准。标准的系统包括一个机箱、控制器，以及你所选择的I/O模组。控制器包括一颗处理器、永久储存装置、记忆体等等。在作为即时系统使用时，LabVIEW应用程式被下载至控制器上的嵌入式处理器。在应用程式执行时，它存取系统中I/O模组传来的资料。PXI提供高效能及可以扩充至数百甚至数千个通道的能力。

有为数众多的I/O可供PXI系统使用，包括模拟及数字I/O、CAN、PWM、动态信号、运动控制、影像撷取，以及协力厂商模组。就和CompactRIO平台一样，你可以使用FPGA模组，并使用LabVIEW设计其程式，获得最佳的客制功能。PXI系统也和HIL系统所需要的标准匯流排整合得很好，例如CAN、Ethernet、MIL-STD 1553，以及ARINC 429。由于PXI是一种开放技术，因此客制或协力厂商的PXI或cPCI模组都可以轻易地整合至PXI系统中。

 HIL模拟技术
HIL系统里面可以具备数个元件。主要元件是机器设备模型模拟，它以即时方式执行，并模拟机器设备的动态特性。I/O模组用来接收控制器输出，并将机器设备的模拟信号传回控制器。
　

利用FPGA，你可以制作客制I/O，以配合模拟的特殊需要。HIL系统的其它元件可以包括测试资料记录及测试向度排序(sequencing of test vectors)。 

完整的系统会使用一部具备操作员介面的主机PC、一个测试自动化界面（例如NI TestStand），以及后续处理的工具（例如DIAdem）。
　

点选此处以了解Micronova如何使用FPGA制作一款创新的HIL产品，供12汽缸燃油喷射器模拟之用。

 NI合作伙伴提供HIL及RCP完整解决方案
NI和合作伙伴可以提供完整的解决方案，满足RCP和HIL的需求。专精于HIL和RCP的合作厂商包括MicroNova、Wineman Technologies、Averna，以及KGC。 

NI也持续发展产品合作关系，为客户提供开放而且具弹性的解决方案。这一类的合作伙伴例子包括MSC CarSim和TESIS DYNAware，他们是载具动力模型建立工具的供应商；以及匯流排界面制造商，例如Condor Engineering。

 LabVIEW为动态系统控制设计及测试提供一个开放平台。利用NI平台即可使用自己选择的设计软件，配合可扩充的模组化硬件平台，以即时方式佈署模型式的设计。