LabVIEW를 사용하여 RCP (Rapid Control Prototyping) 및 HIL 시뮬레이션 진행하기

본 기술백서에서는 내쇼날인스트루먼트의 하드웨어 및 소프트웨어의 RCP (rapid control prototyping) 및 HIL (hardware-in-the-loop) 기술을 사용하여 모델 기반의 컨트롤 시스템 개발을 가속화하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

 

제품 개발 프로세스

그림 1은 개발 주기를 설명할 때에 자주 사용되는 임베디드 컨트롤 "V 다이어그램"입니다. 여러 다른 소프트웨어 어플리케이션의 설계 프로세스를 요약하기 위해 개발된 본 다이어그램의 여러 버전은 다양한 제품 설계 주기를 설명하는 데에 사용됩니다. 본 다이어그램은 그 한 예로써 자동차, 우주항공 및 국방 어플리케이션에 일반적으로 사용되는 임베디드 컨트롤 어플리케이션의 설계 주기를 나타냅니다.

신속한 개발의 목적은 설계에 필요한 반복을 최소화함으로써 본 주기를 가능한한 효율적으로 진행하고자 함입니다. 다이어그램의 x축을 시간으로 생각한다면, 다이어그램의 양쪽의 선을 가깝게 함으로써 "V"자의 간격을 줄이는 것이 그 목적입니다. 이렇게 함으로써 개발 시간을 절감할 수 있게 됩니다. NI 플랫폼을 사용함으로써 rapid prototyping과 HIL 과정을 가속화할 수 있습니다. 여기에서는 V에 있는 모델링 및 디자인 과정에 대해 간단히 살펴보겠습니다.

모델링 및 디자인

모델 기반 디자인을 통해 "V"자의 간격을 줄이는 가장 주요 요소는 디자인 주기에서 가능한한 빨리 임베디드 컨트롤 개발을 시작하는 일입니다. 모델링은 하드웨어 프로토타입이 아직 사용가능하지 않은 상태에서도 컨트롤 동작을 시뮬레이션할 수 있는 기능을 제공합니다. 또한, 이전 디자인으로부터의 모델을 재사용함으로써 모델 생성에 필요한 수고를 덜 수 있습니다. 프로토타입 또는 기존 하드웨어가 사용가능하면, NI LabVIEW System Identification Toolkit과 같은 도구의 시스템 식별 기술로 모델 생성을 위해 실제 입출력 데이터를 사용함으로써 수고를 덜 수 있습니다.

LabVIEW 또는 MATRIXx와 같은 소프트웨어 도구는 인터랙티브한 환경에서 다양한 고급 컨트롤 디자인 도구를 제공하므로 설계자들은 프로토타입 하드웨어 필요없이 컨트롤 시스템을 신속하게 평가할 수 있습니다. 이러한 기능으로 인해 디자인 엔지니어들은 디자인의 후반부까지 기다릴 필요없이 스펙, 요구사항, 모델링 에러를 파악할 수 있게 됩니다.

엔지니어들은 컨트롤 시스템을 모델링 및 설계하기 위해 다양한 도구를 사용합니다. NI LabVIEW Control Design Toolkit으로 그래픽 도구를 사용하여 컨트롤 시스템을 설계하고 분석할 수 있습니다. NI LabVIEW Simulation Module은 다이나믹 시스템 시뮬레이션을 LabVIEW 환경에 통합합니다. 사용자는 시뮬레이션 노드 안에서 블록 다이어그램에 선형, 비선형, 이산, 연속 플랜트 또는 컨트롤 시스템을 모델링할 수 있으며 그 후 Windows 또는 리얼타임 하드웨어에서 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

NI MATRIXx 제품군은 SystemBuild (신속한 모델 개발 및 시뮬레이션을 위한 사용 편리한 그래픽 환경)를 포함하는 컨트롤 디자인 소프트웨어 모음입니다. SystemBuild는 대형, 복합 모델의 개발 및 관리를 위한 최상의 환경입니다.

NI의 모델링 및 디자인 소프트웨어 도구 이외에도 NI 플랫폼은 The MathWorks, Inc. Simulink^® 소프트웨어 환경, MSC CarSim 뿐만 아니라 C, Fortran에서 개발된 hand-coded 모델을 포함하는 다른 소프트웨어에서 만들어진 모델 및 코드와도 통합하도록 개방된 플랫폼입니다. NI 소프트웨어 및 하드웨어의 개방 구조 덕택으로 거의 모든 소프트웨어로부터 모델을 계측할 수 있습니다.

 

LabVIEW 및 Simulink 소프트웨어와 연결

LabVIEW Simulation Interface Toolkit은 Simulink 환경과 인터페이스하기 위해 사용됩니다. 또한 툴킷은 Simulink 환경에서 데이터를 확인하고 컨트롤하기 위한 특허받은 사용자 인터페이스 도구를 제공합니다. Simulink 소프트웨어의 사용자는 LabVIEW를 사용하여 데스크탑에서 오프라인 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 다이나믹 모델을 리얼타임 시스템에 다운로드하여 RCP 또는 HIL 테스트를 진행할 수 있습니다.

리얼타임 실행을 위해, The MathWorks, Inc. Real-Time Workshop® 소프트웨어는 시뮬레이션 인터페이스 툴킷의 추가 컴포넌트와 함께 사용되어 모델로부터 코드를 생성하고 그 후 리얼타임으로 실행가능합니다.
LabVIEW Simulation Interface Toolkit은 시뮬레이션 모델을 계측하기 위한 LabVIEW의 광범위한 사용자 인터페이스 기능의 모음을 제공합니다. 사용자는 LabVIEW의 모든 시각 컨트롤 및 인디케이터 (노브, 슬라이더, 그래프, 차트, 버튼, LED 등)를 사용하여 맞춤형 프론트 패널을 생성할 수 있습니다.

시뮬레이션 모델을 위한 LabVIEW 사용자 인터페이스 생성

연결을 위해 모델을 준비할 경우, NI Signal Probe 블록을 시뮬레이션 다이어그램에 놓으면 됩니다. 본 NI Signal Probe 블록은 LabVIEW Simulation Interface Toolkit을 설치한 후 Simulink 환경에서 사용가능합니다. SIT Connection Manager를 사용하면, LabVIEW 컨트롤 및 인디케이터에서 모델의 모든 신호 또는 파라미터로 맵핑을 생성할 수 있습니다.

맵핑을 완성한 후, LabVIEW는 LabVIEW VI에서 모델로 연결하는 코드를 자동적으로 생성합니다. 사용자는 실행되는 동안 파라미터를 변경하고 시뮬레이션 신호를 확인할 수 있습니다.

여기를 클릭하여 시뮬레이션 모델을 위한 사용자 인터페이스 생성 멀티미디어 데모를 보십시오.

 

리얼타임 소프트웨어

소프트웨어 시뮬레이션을 수행한 후에, 모델의 리얼타임 실행으로 넘어갈 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트는 모델의 결정성있는 실행과 광범위한 I/O 인터페이싱에 적합한 다양한 리얼타임 소프트웨어 및 하드웨어를 제공합니다.

LabVIEW Real-Time Module은 LabVIEW를 상용 리얼타임 타겟을 타겟팅 가능하도록 확장합니다. LabVIEW Real-Time이 있으면, LabVIEW 코드는 수백 마이크로초의 주기 및 낮은 지터(jitter)의 리얼타임 성능으로 실행하도록 개발됩니다. LabVIEW FPGA Module로, 크랭크샤프트, 캠샤프트, 변위 트랜스듀서 (LVDT) 등의 변화하는 신호를 신속하게 생성하는 맞춤형 HIL 디바이스를 생성할 수 있습니다. FPGA를 사용하면 또한 PWM 신호 모듈레이션, 맞춤형 디지털 프로토콜을 디코딩, 아날로그 신호 데시메이션을 위해 신호를 수집하고 온보드 프로세싱을 수행할 수 있습니다.

 

리얼타임 하드웨어

내쇼날인스트루먼트는 어플리케이션의 I/O 및 프로세싱 요구조건에 기반하여 HIL 및 RCP 어플리케이션을 위한 몇 가지 플랫폼을 권장합니다. 내쇼날인스트루먼트의 PXI 플랫폼은 테스트 및 측정을 위해 고안된 고성능 시스템으로써 HIL 어플리케이션에 이상적입니다. 표준 PC 또한 리얼타임 타겟으로 사용될 수 있습니다. 본 솔루션은 연구실에서 낮은 채널 수 I/O를 사용하는 컨트롤러에 사용됩니다. CompactRIO는 컨트롤 프로토타입에 완벽한 다목적 플랫폼입니다.

LabVIEW Real-Time
PXI
산업용 PC 데스크탑
CompactRIO

 

CompactRIO에서 RCP (Rapid Control Prototyping)

소프트웨어 시뮬레이션이 실제 다이나믹 환경의 모든 독특한 동작을 다룰 수 없으므로, 하드웨어 프로토타입은 리얼타임으로 컨트롤 알고리즘 테스팅을 위해 개발되었습니다. 본 RCP (rapid control prototyping)는 컨트롤 디자인 V 다이어그램의 두 번째 단계입니다. 그림에서와 같이 컨트롤러 디자인은 리얼타임 환경에서 테스트되며 실제 또는 시뮬레이션 플랜트에 연결됩니다. 본 단계는 디자인의 초기 단계에서 모델링 및 컨트롤 디자인 결과의 충실도 (fidelity)에 대한 완벽한 검증 및 확인 피드백을 제공합니다. 컨트롤러/하드웨어 디자인 및 요구조건에 대한 추가적인 수정은 제조 시스템의 최종 단계 이전에 진행됩니다.

프로토타입을 실행하기 위해 NI의 모든 리얼타임 하드웨어 플랫폼을 사용할 수 있습니다. 그러나, 그 중 CompactRIO는 패키지, 안정성 및 유연성 면에 있어 이상적입니다. CompactRIO 임베디드 시스템에는 컨트롤 알고리즘을 결정성있게 실행하고, 데이터 로깅을 수행하며, 웹 페이지를 다루는 리얼타임 프로세서가 포함됩니다. CompactRIO는 또한 섀시에 FPGA가 통합되어 있으므로 고속 신호 수집 및 생성을 위한 유연성 및 성능을 제공합니다. CompactRIO가 있으면, 상용 모듈을 사용하여 아날로그, 디지털, CAN, PWM, MIL-STD-1553, ARINC-429 등의 실제 신호와 인터페이스할 수 있습니다.

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Simulink 환경에서 개발된 컨트롤 모델 리얼타임 실행
Real-Time Workshop 및 Microsoft Visual Studio 컴파일러를 사용하면, Simulink 환경에서 개발된 모델은 LabVIEW에 의해 호출가능한 DLL 자동 생성에 사용될 수 있습니다.

SIT Connection Manager를 사용하면, 시뮬레이션 모델의 입력 및 출력이 될 수 있는 실제 I/O를 편리하게 구성할 수 있습니다. 본 인터페이스를 통해 NI 데이터 수집 디바이스, FPGA 디바이스, 및 CAN 디바이스를 구성할 수 있습니다. LabVIEW는 플랜트와 인터페이스 할 I/O 생성과 측정 코드을 가진 모델에 설치할 코드를 생성합니다.

LabVIEW VI를 실행하면, 코드는 리얼타임 하드웨어에 자동적으로 다운로드되어 모델의 결정성있는 실행을 할 수 있습니다. 운영자 인터페이스는 이더넷 연결을 통해 타겟에서 호스트로 업데이트됩니다. 본 과정에 대한 데모를 보겠습니다.

여기를 클릭하여 LabVIEW를 사용하여 리얼타임에서 시뮬레이션 모델 실행하는 온라인 데모보기

타겟팅

본 단계를 따라, 컨트롤러는 ECU, 상용 컨트롤러, 섀시 시스템 (PXI, CompactRIO, 또는 맞춤 하드웨어)이 될 수 있는 타겟 하드웨어에서 실행됩니다. 엔지니어들은 컨트롤러 모델에 기반하여 타겟 소프트웨어를 직접 코딩 할 수 있고, LabVIEW Embedded와 같은 자동 코드 생성 도구를 사용할 수 있으며 또한 두 가지 방법을 병행할 수도 있습니다.

 

PXI로 HIL 테스트

HIL 테스트에서, 설계자들은 최종 시스템의 리얼타임 동작 및 특성을 시뮬레이션할 수 있으므로, 실제 하드웨어 또는 운영 환경 필요없이 제조 시스템 컨트롤러를 검증할 수 있습니다. 그림에서 보듯, 플랜트가 테스트 컴퓨터에서 리얼타임으로 시뮬레이션되는 동안 타겟 컨트롤러 하드웨어에서 컨트롤 코드가 실행됩니다.

본 테스팅 단계동안 컨트롤러의 완벽한 기능을 테스트하는 것이 중요합니다. 타겟 하드웨어를 실제 플랜트와 연결하는 동안, 엔진과 같은 시뮬레이션되는 플랜트에 대한 테스트를 진행하면 몇 가지의 혜택을 얻을 수 있습니다. HIL 테스터는 매우 비용 효율적이며, 실제 엔진보다 훨씬 더 재생성이 편리합니다. 시뮬레이션되는 엔진은 또한 다양한 운영 상태 또는 심지어 엔진 고장과 같은 결함 상태까지도 시뮬레이션할 수 있습니다. 이는 실제 플랜트로는 진행이 어렵거나, 비용이 많이 소요되거나, 위험할 수도 있습니다.

PXI는 HIL 시스템을 위한 이상적인 플랫폼입니다. PXI는 CompactPCI 표준을 기반으로 합니다. 일반적인 시스템은 섀시, 컨트롤러, 선택한 I/O 모듈로 구성되어 있습니다. 컨트롤러에는 프로세서, 영구 스토리지, 메모리 등이 포함됩니다. 리얼타임 시스템으로 사용되면 LabVIEW 어플리케이션은 컨트롤러의 임베디드 프로세서에 다운로드됩니다. 어플리케이션이 실행되면, 시스템의 I/O 모듈에서 데이터에 액세스합니다. PXI는 고성능 및 수백 또는 수천개의 채널로 확장 기능을 제공합니다.

아날로그 및 디지털 I/O, CAN, PWM, 다이나믹 신호, 모션 컨트롤, 이미지 수집, 타사 모듈 등 PXI 시스템을 위한 광범위한 I/O가 존재합니다. CompactRIO 플랫폼으로 사용자는 FPGA 모듈을 사용할 수 있고 LabVIEW로 프로그래밍하여 맞춤화를 극대화할 수 있습니다. PXI 시스템은 또한 HIL 시스템 (CAN, 이더넷, MIL-STD 1553, ARINC 429)에 필요한 표준 버스와도 통합됩니다. PXI는 개방 아키텍처이므로, 맞춤형 또는 타사 PXI 또는 cPCI 모듈은 PXI 시스템에서 편리하게 통합됩니다.

HIL 시뮬레이션 아키텍처

HIL 시스템에는 여러 컴포넌트가 있습니다. 주요 부분은 플랜트 모델 시뮬레이션으로써, 이는 리얼타임으로 실행하고 플랜트의 다이나믹 특성을 시뮬레이션합니다. I/O 모듈은 컨트롤러 출력을 수신하고 또한 플랜트에서 컨트롤러로 보내지는 시뮬레이션된 신호에 응답하는데 사용합니다.

FPGA로, 시뮬레이션의 특정 요구에 부합하도록 맞춤형 IO를 생성할 수 있습니다. HIL 시스템의 다른 컴포넌트에는 테스트 벡터 시퀀스 뿐만 아니라 데이터 로깅 테스트 등이 있습니다. 시스템 완성을 위해, 운영자 인터페이스가 있는 호스트 PC, 자동화 인터페이스 (NI TestStand), 후처리 프로세싱 도구 (DIAdem)가 사용됩니다.

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내쇼날인스트루먼트 협력 업체

내쇼날인스트루먼트 방식의 장점은 고급 기술 제품에 초점을 맞추는 데에 있습니다. 광대한 협력업체 및 엄선된 SI(System Integrator)업체 네트워크를 통해, NI 및 협력업체들은 RCP 및 HIL 요구에 적합하고 완벽한 솔루션을 제공합니다. HIL 및 RCP 전문 협력업체로는 MicroNova, Wineman Technologies, Averna, KGC 등이 있습니다.

또한, NI는 지속적으로 제품 파트너쉽을 형성함으로써 고객들에게 개방되고 유연성있는 솔루션을 제공하기 위해 노력하고 있습니다. 파트너에는 차량 다이나믹스 모델링 도구 공급업체인 MSC CarSim과 TESIS DYNAware 및 버스 인터페이스 제조업체인 Condor Engineering 등이 있습니다.

 

LabVIEW 플랫폼의 장점

LabVIEW는 사용자의 다이나믹 시스템 컨트롤 디자인 및 테스트 요구에 적합한 개방된 플랫폼을 제공합니다. NI 플랫폼을 사용하면 디자인 소프트웨어를 확장가능한 모듈형 하드웨어 플랫폼과 함께 사용하여 모델 기반의 디자인을 리얼타임으로 실행할 수 있습니다.

LabVIEW 데모 또는 필드 엔지니어의 방문을 요청하시려면 내쇼날인스트루먼트로 (02) 3451-3400으로 연락주십시오.

Simulink® 및 Real-Time Workshop®은 The MathWorks, Inc의 등록상표입니다.