㊀㊀收稿日期:2014-08-04；修回日期:2014-08-29㊂
㊀㊀作者简介：刘辉鹏(1991-)，男，福建泉州人，硕士研究生，主要研究方向：电力电子与电力传动;㊀汪光森(1969-)，男，江西乐平人，教授，博士，主要研究方向：电力电子变流㊁电力电子装备的设计仿真和控制;㊀陈维(1981-)，男，河北石家庄人，博士，主要研究方向：电子电子装备控制;㊀李维波(1973-)，男，四川乐山人，副教授，博士，主要研究方向：脉冲功率技术;㊀冯权(1990-)，男，山东淄博人，硕士研究生，主要研究方向：电力电子仿真和控制㊂
文章编号:1001-9081(2015)S1-0239-04
刘辉鹏∗
，汪光森，陈㊀维，李维波，冯㊀权
(舰船综合电力技术国防科技重点实验室(海军工程大学)，武汉430000)
(∗通信作者liuhp08@126)
摘㊀要：硬件在回路实时仿真是研究复杂机电系统过程中一个重要环节，复杂机电系统中包含了大量的电力电子装置，使得开关信号数量繁多，仿真中用于处理开关脉冲信号的时间开销也随之增加㊂介绍了RT-LAB 实时仿真平台的架构，并着重对其中用于脉冲信号调理模块的特性进行了详细的研究：对不同方式的脉冲信号输入模块特性进行对比，对CPU 关于输出模块数据编码的优化方式进行了探究㊂通过实验验证，给出不同情形下脉冲信号处理模块的选取方式，从而减小系统用于处理脉冲信号的时间开销，保证复杂机电系统硬件在回路仿真的实时性㊂ 关键词：实时仿真;RT-LAB ；脉冲信号调理；硬件在回路中图分类号:TP391.9㊀㊀文献标志码:A
Characteristics of pulse signal conditioning unit in RT-LAB
LIU Huipeng ∗
冶炼炉
,WANG Guangsen,CHEN Wei,LI Weibo,FENG Quan
(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology (Naval University of Engineering ),Wuhan Hubei 430000,China )
Abstract:The hardware-in-the-loop simulation plays an important role in the research of complex eletromechanical
system.The simulation time for handling pulse signals increases since the system contains multiple swithing signals.This
paper presented the architecture of RT-LAB real-time simulation platform and a detailed study of the characteristics for pulse signal conditioning units.Two kinds of digital input signals processing modules were compared and the output data coding optimization method was explored.Through experimental verification,the strategy to select the right pulse signal conditioning unit in defferent situations was proposed to reduce the simulation time for handling pulse signals and ensure that the calcalation
for a time-step is completed within the chosen step-size.
Key words:real-time simulation;RT-LAB;pulse signal conditioning;hardware-in-the-loop
0㊀引言
随着计算机技术㊁建模技术的发展，仿真技术得到了迅速
发展[1-5]㊂硬件在回路实时仿真采用实际控制器和虚拟控制对象相连的方式，一方面通过仿真器构造系统模型并和物理设备相连，形成闭环进行测试，采集的是真实的数据；另一方面又可以在模型上进
行实验，取得和真实事件相同的测试结果，因此在各种仿真中具有高置信度㊁安全性㊁可控性及可多次重复等诸多优点[6-7]㊂而仿真器和实际物理设备的相连需要经过输入输出(Input /Output,I /O)接口进行信号处理，复杂机电系统中有大量的电力电子装置，包含的开关器件数量多，需要I /O 处理的开关脉冲信号也随之增多㊂在实时仿真时，要求的仿真步长小，脉冲信号由于数量多使得单个步长内用于脉冲信号处理的时间在整个仿真步长中的比重高，因此掌握仿真中脉冲信号调理模块的特性对于保证和提高整个仿真系统的实时性[8]具有极其重要的意义㊂
RT-LAB 是加拿大Opal-RT 公司开发的一套工业级的仿
真系统平台软件包，通过上位机和多处理器目标机在实时仿真平台上运行，可以方便地实现硬件在回路仿真的工作㊂RT-LAB 提供了基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的高精度I /O 模块，脉冲宽度调制(Pulse Width
Modulation,PWM)信号精度可以达到10ns，仿真目标机的I /O 接口卡附带的信号调理模块可结合FPGA 编程进行优化灵活使用[9-12]㊂基于上述分析，本文着重对RT-LAB 中的脉冲信号输入输出处理单元的特性和时间占用规律进行研究,
有利于对全系统仿真的性能进行更加清晰的分析和评估，选取更优的I /O 处理方式㊂
1㊀RT-LAB 仿真平台结构
1.1㊀全系统结构
RT-LAB 实现的硬件在回路仿真系统主要包括上位机㊁
下位机及实际系统的外接设备㊂上位机，也称主机，装有Matlab /Simulink 和RT-LAB 软件，运行于Windows 操作系统,
主要完成仿真模型的设计实现㊁仿真参数的配置㊁仿真运行的管理以及仿真结果的显示；下位机，也称目标机，是运行Redhat 实时操作系统的高性能计算机，负责快速分布式协调计算，并连接FPGA 处理I /O 数据，从而高效实现整个模型的
实时运行㊂主机和目标机之间通过TCP /IP(Transfer Controln Protocol /Internet Protocol)连接，而目标机之间则通过PCI-E (Peripheral Component Interconnect Express)协议进行连接，仿真系统的结构如图1所示㊂
Journal of Computer Applications
计算机应用,2015,35(S1):239-242㊀
ISSN 1001-9081
CODEN JYIIDU ㊀
2015-06-20
www.joca
图1㊀RT-LAB仿真平台结构框图
1.2㊀I/O信号处理过程
RT-LAB中I/O的信号采集是基于高速FPGA采用定时方式来实现的,100MHz的处理速度使得采样的精度能够达到10ns㊂外部设备的数字脉冲信号先是通过OP5353数字输入调理板卡，然后连接到FPGA进
行数据处理，仿真开始后处理的数据再传送给目标机的共享内存，而后相应的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)再从共享内存中来读取所需要的数据，过程如图2所示
㊂
图2㊀I/O数字信号采集过程
1.3㊀两种脉冲信号采集方式
RT-LAB中有两种不同方式的脉冲信号采集模块：一是TSDI(Time Stamped Digital Input)方式，对应RT-LAB模型中的EventDetector模块,TSDI通过记录每个步长内各个事件发生后的状态(0表示下降沿,1表示上升沿)和事件发生的时刻来描述事件，所以TSDI需要通过一个二维数组大小的数据来记录步长内发生的事件；二是TOM(Average Time-On Digital Input)方式，对应RT-LAB模型中的TSB In模块,TOM通过记录步长内信号处于高电平状态的百分比来记录事件，所以TOM只需要输出占空比一个值给所需要的子系统㊂若T s步长内的脉冲信号如图3所示,T0㊁T1㊁T2㊁T3㊁T4㊁T5都是指T s的相对时间，则TSDI模块需要输出(1,T0),(0,T1),(1,T2), (0,T3),(1,T4),(0,T5)，而TOM模块只需要输出T on，其中T on=T1-T0+T3-T2+T5-T4㊂TOM可由TSDI的数据在子系统中经计算处理后得到，采用TOM方式相当于在FPGA 内部就实现了这些数据处理
㊂
图3㊀脉冲信号示意图
2㊀脉冲信号处理模块特性
2.1㊀研究方法
搭建测试模型，通过数字量通道进行脉冲信号的收发，测试脉冲信号处理在模型计算中的时间占用规律㊂使用一台编号为S10的OP5600目标机,OP5600配有2个Intel i76核处理器，主频3.3GHz，内置RedHat Linux实时操作系统，目标机S10连接一台编号为S15的IO扩展箱,IO扩展箱带有四块OP5353数字量输入板卡和四块OP5354数字量输出板卡，一块板卡处理32个数字量通道，由Loopback在外部完成数字输出通道和输入通道的连接，一块Loopback可以连接16个数字量通道，在测试时以16通道数为单位，观察系统接入不同通道数时模型的时间占用情况㊂在建立模型时，数字量输出均由TSDO(Time Stamped Digital Output)实现，数字量的输入分别采用TSDI和TOM对应的不同模块来实现，再通过改变单位步长内发生的事件数及事件发生的时间，分别记录和比较实验结果㊂
模型搭建好后，在RT-LAB用户界面中依次编译模型(Build)㊁分配节点(Assign)㊁加载模型(load)㊁模型运行(Execute)和暂停(Pause)，最后重置模型(Reset)㊂在模型编译前，要在Diagnostic选项中勾选Enable monitoring，才能在模型运行后，在Monitoring监视器观察到每个步长内各子任务所占用的时间，用户界面如图4所示
㊂
图4㊀RT-LAB用户界面
RT-LAB实时仿真模型在硬件同步模式下，每个仿真步长中主要由以下几个子任务构成：同步处理㊁状态发送㊁多重接收㊁状态更新㊁预处理㊁主要计算㊁数据采集㊁次要计算㊁后处理㊁主机和目标机指令处理等㊂其中的主要计算(Major computation time)包括了模型的代数计算㊁离散状态计算和连续状态计算,CPU中用于处理I/O数据的时间也包含在Major computation time中，通过记录Monitoring监视器中Major computation time的变化，评估不同方式下的I/O处理对系统的影响㊂
2.2㊀TSDI的特性测试
模型如图5(a)所示,SM_10为模型的Master,SC_Console 用于上位机的数据观测，主要实现SS_15模块中数字量通道的数据收发,SS_15对应的扩展箱所采用的FPGA板卡为OP5142，模型中的TSDI方式数字量输入处理对应采用OP5142EX1EventDetector模块,8个通道组成一个Dataport模块，它分别输出每个通道的信号状态states和事件发生的时间times来记录采集的输入信号，如图5(b)所示
㊂
图5㊀测试模型
分别测试数字量输入在一个步长内发生1个事件和2个
042㊀㊀㊀㊀计算机应用第35卷
事件时，随着通道数的增加，系统用于处理I/O的时间消耗变化情况㊂为排除其他因素带来的影响，模
型运行步长设置一致，单个步长内发生1个事件时所有通道时间戳(事件发生时刻在步长内的百分比)均设为0.5，发生2个事件时所有通道时间戳设为0.3和0.6，测得时间消耗变化曲线如图
6㊂
可以看出，单个步长内发生1个事件和2个事件时，用于I/O处理的时间消耗都随着连接通道数的增大而增加，呈近似线性关系，时间消耗有明显增长㊂但是发生1个事件时，连接128通道数字量输入时相比不连接数字量输入时的时间消耗增加约为1μs，而发生2个事件时对应的时间消耗增长约为2μs，表明采用TSDI方式，当单位步长内发生的事件数增多时，需要用来处理I/O数据的时间也随之增加㊂采用TSDI 方式，在数字量通道有脉冲输入时,FPGA将采集到的各个事件的信息编码成数据包，而TSDI一个重要的处理就是将FPGA传来的各个事件对应的数据包解码成Double类型的Times和States，当连接的输入通道数越多，通道内的事件越多,TSDI需要解码的工作量也就越大，系统用于处理I/O的时间消
耗也就越多㊂而连接0个输入通道时的时间消耗差异(即两条曲线起点的不同)则是因为128个输出通道中单个步长内由1个事件变成2个事件而引起的数字量输出编码工作量的增加㊂
2.3㊀TOM的特性测试
将上述模型中的OP5142EX1EventDetector模块替换成OP5142EX1TSBIn模块,FPGA中的bitsream文件也替换成TOM模式对应的文件，其他设置不变㊂测试TOM处理模块连接通道数与单个步长内发生的事件数对于I/O处理时间消耗的影响，测得时间消耗对应变化曲线如图
7㊂
图7㊀TOM方式时间开销
可以看出，采用TOM方式采集输入数据，在步长内发生1个事件和2个事件时,I/O处理的时间消耗都随着通道数的增大而增加，但增幅都较小，连接128通道数字量输入相比不连接数字量输入的时间消耗增长都只有0.25μs左右㊂采用TOM方式所需的I/O处理时间少，而且不会因单位步长内发生的事件数增多引起时间消耗的增加㊂不管通道在单个步长内发生1个事件或2个事件,TOM的工作量都只是解码从
FPGA传过来的一个0~1的double数，相比TSDI方式任务量要少的多，采用TOM方式相当于把部分数据处理的工作量转移到FPGA上，从而大大降低CPU针对I/O处理产生的时间消耗㊂
2.4㊀各通道时间戳设置对两种模块的影响
考虑各通道时间戳设置相同与不同对于TSDI方式和TOM方式的影响，把原步长内发生1个事件模型中各个通道时间戳改为随机设定为(0,1)内的不同值，观察两种方式下对于I/O处理时间消耗产生的影响，结果如图8所示
㊂
图8㊀不同方式下时间戳不同对时间开销的影响从图8中发现,TSDI在各时间戳不同的情形下，连接128通道数字量输入的时间消耗相比没有连接输入时增加了约2.2μs，而在图6中时间戳相同时增幅为1μs，可见TSDI的解码工作量在各通道时间戳相同时相比各通道时间戳不同时的解码工作量有所下降㊂表明在各通道时间戳相同时,TSDI 的解码存在一定的优化，从而使得时间消耗较小；而TOM在各时间戳不同的情形下，连接128通道数字量输入时的时间消耗相比不连接输入通道时增加了约0.25μs，图7中时间戳相同时的增幅也是约为0.25μs，时间消耗没有变化，可见采用TOM方式并不会因不同通道内时间戳的相同与不同而带来时间开销的改变㊂
2.5㊀编码优化方式
在时间戳因素测试中，在连接输入通道数为0和单位步长内发生1个事件的情况下，采用TSDI方式和TOM方式在各个通道时间戳不同时相比时间戳相同时的Major Computation time均增加了约4μs㊂这是因为在数字输出阶段，采用的TSDO模块在各通道时间戳不同时相比时间戳相同时，需要把Double类型数据编码成FPGA对应的word类型数据的工作量大幅增加，从而引起I/O处理时间消耗的增加，可见CPU在通道时间戳相同时对编码存在一定优化方式㊂在TSDI方式单位步长内发生1个事件的模型基础上进行优化方式的测试，数字量输入通道不连接输入信号㊂模型中SS_15子系统对应的扩展箱中包含
4块数字输出板卡，即16个Dataport,128个通道，对于TSDO输出通道的时间戳分别设置成4种不同的方式进行测试，而后在Monitoring监视器中观察4种情况下Major Computation time的差异㊂1)第一种输出方式:128通道全部设定的时间戳全部相同;
2)第二种输出方式：在(0,1)区间选取16个不同的值，同一个Dataport内8个通道的时间戳取同一个值，不同Dataport的时间戳分别对应一个不同的值;雅莱减肥饼干
3)第三种输出方式：以2个Dataport为一组，可分为8组，一组16个通道，把这16个通道时间戳依次设置为方式二
142
增刊1刘辉鹏等:RT-LAB中的脉冲信号输入输出处理模块特性㊀㊀㊀㊀
剥线中选取的16个值，其他7组的时间戳设置与这组相同; 4)第四种输出方式:128通道的时间戳设置各不相同㊂
通过仿真，在Monitoring中观察到第一种方式的I/O处理时间消耗为7.03μs，第二种方式时间消耗为7.06μs，第三种方式时间消耗为9.73μs，第四种方式时间消耗为9.68μs㊂比较1)和2)，时间开销基本相同，表明CPU并不是对子系统内所有相同时间戳的通道进行优化，不同Dataport之间的时间戳取值
相同和不同不会影响时间消耗㊂比较1)和3)，同一Dataport内各通道时间戳设置成不同时相比设置成相同时，时间消耗明显增多，可见CPU对同一Dataport内的数据编码有一定的优化方式，时间戳相同的不重复编码，从而减少时间消耗㊂比较2)和3),2)和3)需要输出的数据总量相同，但2)中时间戳相同的通道分配在了同一个Dataport中，而3)中时间戳相同的通道则分配在不同Dataport中，结果3)的时间消耗明显增加㊂比较3)和4)，时间开销基本一致，表明不同Dataport之间各通道的时间戳设置差异并不影响时间开销㊂结果表明CPU只对同一Dataport下的数据编码进行了一定优化，相同的数据不重复编码，而不同Dataport之间的数据则没有联系，即使两个Dataport之间出现了相同时间戳的通道, CPU仍然会对各个Dataport下的数据独立进行编码㊂
3㊀结语
本文对RT-LAB中的脉冲信号输入输出处理模块的特性进行了详细研究，揭示了RT-LAB底层信号处理的机制，对TSDI和TOM两种输入方式的特性差异进行了比较，并说明了I/O数据编码的优化方式㊂采用TSDI方式，单位步长内事件数的增多以及通道内时间戳的不同都会带来系统时间消耗的显著增加；而采用TOM方式则不受这两个因素的影响并且系统的时间消耗也比TSDI方式小得多㊂采用TSDO输出时, CPU对同一Dataport下相同的数据只做一次编码以减小时间开销，所以在需要精确定位步长中各个事件发生时间的情形下可以选取TSDI模块，而在可以用占空比等效的情形下则应尽量选取TOM方式，例如TSB In模块等㊂通过选取合适的I/O数字信号处理方式，可以大幅减小系统用于处理I/O的时间消
热熔标线涂料耗，这对于保证复杂系统硬件在回路仿真的实时性具有重要意义㊂
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(上接第228页)
3㊀结语
本文设计了一种基于Matlab的机器人避障算法设计与
试验仿真软件㊂采用本仿真软件进行避障算法设计，用户可充分利用Matlab环境所提供的简单的编程语言㊁现成的数值算法㊁方便的Simulink建模环境以及良好的用户界面设计环境等优点，从而提高移动机器人避障算法的开发效率下一步将探讨在本软件中实现真实的传感器及移动机器人接入以替代相应部分的数学模型即半实物仿真的可行性㊂
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242㊀㊀㊀㊀计算机应用第35卷
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