引言
快速原型和硬件在环仿真系统在过去15至20年中用于高级电子控制系统的设计。早期的此类系统是特定目的的电路板单元，用于模拟对未来软硬件，以及未开发或调试的产品级系统。工程师利用原型开发系统能够测试新式设计，证实算法，并在设计过程中的较早阶段检测软硬件集成。上述彼此不同的专用系统是在汽车和航空航天业中开发。
近期推出的改进了的软硬件系统商业化模型，可实现快速原型和硬件在环仿真功能。厂商提供标准的系统配置，通常基于DSP芯片或高级的微处理器，如Digital Alpha或PowerPC。汽车和航空产业的公司采用上述设计系统，利用其功能及原型开发速度，能够加快设计进程，能够在模拟环境中实时检测原型电子部件，减少了昂贵的破坏性试飞试驾。这种商业上即售即用(COTS)的系统减少了对定制的专用硬件的需求，定制的专用硬件在设计、维护和扩展方面都相当困难。
图1. 由模块化框图构成典型控制系统。
图2. 自动代码生成用于快速原型、硬件在环模拟和嵌入。
汽车应用的商业系统
汽车产业尤其欢迎商用快速原型和HIL系统。标准接口板提供了汽车设计中使用的特殊输入输出功能，实现了点火提前、曲轴角度位置等功能。随着上述系统的推出，同时也推出了系统建模工具，可在工作站或PC上图形化定义算法和接口，并仿真控制模型的行为。完成最初的建模和仿真后，建模工具通过自动生成原型代码接口到快速原型和HIL系统。由于系统建模工具可方便地用于快速原型系统，因此有关工具成为汽车控制设计过程的有机组成部分。快速原型系统覆盖了坚固的车内设备到大型台架固定系统等，支持诸多输入/输出通道。原型开发系统的标准处理器为DSP或Digital Alpha处理器。
图1显示了典型的控制系统，其模型由模块框图构成。控制器通过执行器连接被控设备或引擎，从设备的传感器读取数值或信号，形成汽车和航空设计中常见的闭环控制系统。利用基于模型的设计，可以仿真并测试框图模型，验证控制设计和集成的被控设备模型。
图2显示了从模型控制器通过自动代码生成软件到运行快速原型系统的示意图，在商用快速原型设备上实时检测控制算法。同样，模型被控设备部分自动生成的代码也可用于模拟设备的响应和操作，在商用HIL设备上实时检测原型控制器。
HIL系统对航空业的价值
随着汽车业对快速原型系统的接受，航空业也意识到HIL系统的重大意义。航空领域的公司能够模拟飞机、导弹和卫星的飞行和环境特性。他们已经开发了高度发展的的系统FORTRAN模型，在实时硬件上运行，这在概念上与汽车公司的快速原型的硬件相似。随着更加先进的基于模型的设计理念的推出，用于模型仿真和代码生成的技术，可替代老式的COST硬件检测系统上的FORTRAN模型。
先进但昂贵
早期快速原型和HIL系统由汽车或航空公司自己开发，或由专门系统供应商开发。上述系统常常各不相同，是内部系统，需要内部支持和维护员工。专门供应商提供多种标准配置，根据需要执行年度维护合同和定制支持。在上述情况下，两种系统都相当昂贵，限制了公司的使用，对公司投资于设备的资本提出很高要求。
基于PC的快速原型系统
五年前，第一款基于x86 PC的快速原型和HIL系统推出。尽管有关系统成本降低很多，但人们认为其先进性和功能都不如基于DSP的系统。上述系统支持标准的PC处理器以及广为采用的PC数据采集板。由于上述产品可使用任何类型或尺寸的x86处理器，因此所得的系统也能实现多种性价比，这取决于客户应用所采用的PC类型。这种独特的可扩展性为提高PC处理器性能并降低存储器价格提供了巨大优势，因为所有元件都是即购即得的。不过，业界最初的反应是持怀疑态度，担心486或Pentium计算机处理复杂模型的实时速度。人们一般认为PC不能完成快速原型或HIL这种依赖处理器的高级任务。当时人们还未将PC视为工业应用的可行选择。
基于PC的快速原型和HIL地位确立
Eaton和Caterpillar等创新公司被PC系统的价格和可扩展性所吸引。他们开始测试，并发现PC系统可处理大部分快速原型和HIL工作。他们开始采用基于PC的快速原型和HIL系统来补充现有的设备，而其每个系统的成本则低得多。他们的早期实验推动两家公司的嵌入式控制开发工作更广泛地利用上述工具。上述先导性工作有助于证明PC系统在工业应用上的功能。
例如，汽车传动装置元件制造商Eaton设计了一种灵活的中型混合动力卡车原型，包括用模型设计工具设计的控制单元。由于混合传动装置是原型，Eaton在实时PC控制的测工机上测试整个系统。他们生成并执行多种标准测试方案，路试之前在实验室内安全地检测所有部件。Eaton在快速原型和HIL结合设置情况下测试了作为系统一部分的控制单元。
为了节约时间、成本，减少路试相关安全风险，Eaton还需开发硬件在环模拟器。模拟器必须实时模拟中型卡车和重型卡车的整个传动装置(包括发动机、主离合器、变速箱、传动轴、轮胎和道路等)，还必须与档位控制台、变速箱控制器和其他汽车系统进行电子通讯，实现信号注入和采集，并能用现场数据进行自动检测。
就成本、开发时间、风险、I/O硬件可用性、可维护性、特殊驱动器要求和连接等评估各种选择后，他们下结论认为，使用基于PC的系统将提供最佳解决方案，可让他们采用标准的ISA、PCI和PC/104 I/O硬件，从而大幅节约开发成本和时间。这种标准的设备还将提供最大的灵活性，实现特殊的驱动器要求和连接功能，并方便维护。
快速原型
快速原型（rapid prototyping）这一术语对不同应用的含义可能不同，它可用于生成三维固体对象，在量产前进行部件研究，或用可编程的F P G A 方法测试定制ASIC 设计。本文将集中讨论实时环境下如何用快速原型技术在嵌入式处理器上实现代码前检测软件控制算法，这对控制系统建模和仿真工程师而言是常见的应用。
过去10 至15 年，经过不断改善的软硬件系统为高级电子控制系统的设计提供了快速原型和硬件在环仿真功能。因为上述设计系统在原型开发速度上的优势，而且能够加速设计开发过程，已经被汽车和航空航天领域中的公司所采用。高级控制算法可在最终硬件完成前进行实时测试。还可在虚拟环境中实时检测原型电子部件，这就减少了昂贵或破坏性的试飞、试驾需要。
过去几年来，基于PC的原型开发系统为I/O设备提供的支持大幅增长。简单的模拟输入输出、数字输入输出和计数器/计时器支持已经扩展为更高级的PWM支持、编码器、LVDT/RVDT、同步分解器和其他高级的输入输出功能。随着基于PC的硬件组件的推出，加上软件驱动程序支持，以及PC处理器性能的快速发展，这都使基于PC的原型开发系统上升到新的性能水平，与专用系统相当，而成本则大大低于COTS元件。随着性能和I/O功能的发展，许多汽车和航空公司都开始在开发工作中采用基于PC的快速原型和HIL系统。
在HIL模拟的高端领域，一家大型航空供应商基于标准的Dell 3 GHz Pentium 4的台式计算机系统开发出了I/O数较高的出色系统，并用两个PCI总线扩展板扩展。这种配置将CPU单元与I/O单元分开，今后可随更强大处理器的推出方便地替换CPU单元。该系统带有28个PCI I/O板的扩展空间，可提供288个16位D/A通道，并在第一个扩展板上提供128个16位A/D通道。第二个底盘提供特殊的I/O，在四个IP载板上用16个阈值可编程DIO模块提供384个数字IO通道。三个LVDT (线性可变差动变压器)板提供24个LVDT输入和18个LVDT输出，用于线性运动控制。这种HIL系统目前用于模拟大型新式商用客机设计的环境因素。
快速原型和HIL进入新的产业
基于PC的快速原型和HIL系统成本低廉，这意味着其也可应用于对成本更敏感的应用。汽车和航空公司的工程师将基于模型的设计与快速原型、HIL相结合，使其应用于医疗、工业设备和计算机设备等其他产业。
2003至2004年间，基于PC的快速原型和HIL系统中整整三分之一用于汽车与航空之外的产业。除汽车与航空产业之外购买有关系统的三大产业领域为医疗、工业设备和计算机设备。
在医疗设备领域，有关公司在HIL建模应用中使用该设备用于模拟各种身体机能。在这里，传统的被控设备模型变成了人体各部分的模型。我们可开发出模拟心脏机能的原型设备。我们还可用快速原型控制算法来开发多种医疗设备硬件。某些设备使用机器人技术和触觉系统，可用快速原型硬件在短时间内设计并检测。另一种医疗应用则是采用具备模拟医疗条件的系统来辅助培训医生。
Medrad开发的血管注射泵帮助医生快速检查动脉阻塞，反映单个血管的情况，并用心电图或磁振成像技术来检查跳动心脏的健康。使用基于PC的原型工具，Medrad实现了血管注射泵液体流动力学和人体血管系统的硬件在环仿真。这种实时仿真使Medrad能减少使用真正液体的测试数量（通常确认泵控制器设计是否有效都要使用真正的液体）。
Gulf Coastal Group, Micro Systems Engineering公司使用基于模型的设计方法来加速可植入式医疗设备的研发，如起搏器等。其设计工艺在建模和仿真阶段采用基于模型的设计，随后进行算法的快速原型。他们采用廉价的原型开发功能进行数据分析，实现模拟功能，并以非常灵活的实时系统来研究硬件，进行新的算法分析。
全球几家计算机设备公司目前正采用快速原型技术来开发系统，控制大型打印机和复印机。有关应用包括针对打印机和复印机的机电特性进行快速原型和HIL模拟，如纸张通过超大型打印机进纸路线的运动等。
最后再举一个创造性使用有关系统的例子。Whirlpool用快速原型系统建立新理念的原型，目前已得到近于投产的原型，并用于客户检测。在消费者使用条件下做出洗衣机、干燥机和烤箱等设备的测试单元的原型。我们可快速调整操作以检测新的设计和想法。这种基于PC的原型开发系统为Whirlpool开发新系统以及检测控制算法和用户界面提供了简单的试验台。
未来趋势
基于PC的系统可就各种类型的产品帮助开展建模、仿真和原型开发的工作，在工业应用中已经得到有效检验，而且非常廉价。多种产业领域中的创新型公司都证明了上述软硬件功能，有助于加速向市场推出先进的产品。上述功能经过全面细化调节，目前正进入主流应用。随着越来越多的产品开始包括嵌入式处理器及其相关软件，上述工具的使用将有助于节约设计时间，提高产品质量以及添加新的产品功能。
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