贾秀娟 王鹏

摘  要：该文以Mathwork公司设计的MATLAB/Simulink Real-Time软件为实时仿真环境，以xPC双机仿真系统作为实时仿真硬件开发平台，提供了一种可以用于硬件在环仿真研究的平台方案，该方案使用目标机实时内核运行仿真模型，从而对外部控制系统中控制策略进行测试。同时，利用北京华海科技公司研制的Rapid-ECU作为外部控制系统，对试验平台的实时数据交换功能进行了验证，验证结果表明，外部控制系统可以与目标机之间完成实时通信，且无数据丢失与延迟。该硬件在环仿真平台为半实物仿真研究提供了思路。

关键词：硬件在环仿真  控制策略  xPC双机系统

中图分类号：TP273    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0017-02

硬件在环仿真是一种实时仿真方式，相对于计算机仿真而言，其保证了仿真过程实时性，更加符合实际试验效果，同时易于实现，价格成本低，多用于企业控制系统产品V型开发，对此，该文提供了一种硬件在环仿真平台方案。

1  xPC双机系统

xPC实时仿真试验平台主要包括宿主机、目标机、通信连接设备以及外部控制系统4个部分。该文中的xPCTarget实时仿真系统中配备有两台普通PC机，分别作为宿主机与目标机。其中，宿主机内部安装MATLAB R2015b版本软件，C语言编译器为Visual Studio 2010;目标机使用Windows XP/DOS7.1双系统，配置有空闲串口和型号为RTL8168以太网络适配卡。目标机与宿主机通信方式选用网络通信（TCP/IP）[1]，分别将目标机、宿主机IP地址设置为同一网段，通过交叉线型以太网电缆直接连接即可实现通信。

目标机需建立启动盘调用目标机实时内核。在XP系统中安装DOS7.1版本系统，并将部分硬盘以FAT格式重新分区后直接作为启动盘硬件。在MATLAB命令窗口输入“xpcexplr”命令，启动Real-Time窗口，并对目标机IP地址、子网掩码等信息进行设置，设置完成后点击“Creat boot disk”按钮生成目标机启动文件，将启动文件复制至目标机启动盘。开机后进入DOS系统，输入“C：”命令切换至C盘符，并输入“autoexec”目标机即可进入实时仿真运行界面。

2  硬件在环仿真试验平台

设计硬件在环仿真试验平台如图1所示[2]。测试时，将被测控制策略下载至外部控制系统硬件中，作为外部控制系统，通过xPC硬件在环试验平台完成仿真模型的实时运行、控制系统与仿真模型的实时数据通信以及控制系统控制结果验证。

根据图1所示原理，硬件在环仿真试验平台方案中，将Rapid-ECU作为外部控制系统，通过CAN-A总线与协议转换器CAN端口相连，同时，将目标机主板串口与协议转换器RS232端口连接，从而实现了目标机与Rapid-ECU之间的实时通信硬件连接;将控制系统CAN-C总线经USB-CAN与宿主机连接，通过宿主机中Meca软件可以对Rapid-ECU中实时状态参量进行监控与数据存储。

3  硬件在环仿真试验平台通信验证

进行硬件在环试验之前，需要对目标机及控制系统实时通信功能进行测试。由于Rapid-ECU硬件电路中未配置RS232串口通讯功能，所以试验中通过宇泰UT-2506-RS232-CANBUS智能协议转换器将控制系统使用的CAN总线通信协议与PC主板串口的RS232通信协议相互转换，从而使目标机与外部控制器完成数据通信。试验中将协议转换器控制系统侧CAN总线波特率设置为500kbps，RS232串口波特率设置为115200bps，转换时CAN报文时自动添加ID“00 00 00 01”，设置过滤验收码，只转换ID为“00 00 00 02”的CAN报文。

协议转换器设置完成后，外部控制系统使用CAN总线协议进行通信，利用Rapid-ECU模型库中的CAN Receive模块与CAN Transimit模块完成数据的接收与发送，设置CAN A总线的0、8Buffer接收和发送报文ID为“00 00 00 01”及“00 00 00 02”、數据长度为8的标准帧。

目标机应用模型中，通信模型使用Simulink Real-Time/RS232/Mainboard模型库中RS-232 Send/Receive FIFO模块，该模块使用主板串行端口完成字符和二进制数据流发送和接收，由于其接收到的数据以FIFO数据块形式传播，无法直接被模型使用，需要配合FIFO Read BINARY模块完成二进制数据的读取，通过查找标记数据的唯一字节序列（Header）来标识和分离FIFO的数据块，输出十进制数据，搭建目标机RS232串口通信模型。

测试前，对RS-232 Send/Receive FIFO模块进行设置，目标机上串口为COM1口，修改模块内基地址为0x3F8;FIFO Read BINARY设置模块内Header为“{（30，01）}”，每帧读取数据长度为7位，1终止位，采样时间为50ms。将串口通信模型中Solver设置为定步长50ms，在代码生成一栏中选择slrt.tlc文件，并将模型仿真模式选择外部仿真模式。设置完成后，在SimulinkReal-Time窗口中点击连接钮与宿主机连接，在模型运行窗口点击代码生成，Simulink通过VS2010编译器对模型进行C代码转换，同时将应用程序自动下载至目标机中。

硬件在环仿真试验平台中控制系统以及目标机通信功能建立完成后，利用CAN总线及RS232串口通信模型对硬件在环试验平台通信功能进行测试。控制系统与目标机均能正确接收对方发送的数据帧，并且接收过程中无丢帧、延时现象。综上所述，控制系统和目标机能够进行实时的数据交换，形成完整的闭环通信，从而实现硬件在环仿真试验。

参考文献

[1] 杨涤.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京：清华大学出版社，2002：97-103.

[2] 张良.基于xPC Target的汽车ESP硬件在环仿真试验台的开发[D].吉林大学，2009.

[3] Bi YL，Yang D.Development of Interface Card Drivers Based on Matlab/xPC Target[J].Key Engineering Materials，2014（620）：563-568.