以 LabVIEW 進行快速控制原型製作與硬體迴圈模擬

本文將說明如何使用 NI 硬體與軟體，搭配快速控制原型製作與硬體迴路 (HIL) 的技術，以加速模型架構控制系統的開發。

產品開發程序

下圖為描述嵌入式控制系統開發循環的「V 流程圖」。此流程圖最初可囊括許多不同軟體應用的設計程序，卻也可以找到該流程圖的多種版本，並用以描述各種產品設計循環。這裡則列出其中 1 個流程圖的範例，為汽車、航太，與國防應用常見的嵌入式控制應用的設計循環。

 

 

快速開發的目標是將設計中所需要的重複工作減到最少，盡可能提升循環的效率。若將流程圖的 X 軸想像為時間，則目標是將流程圖的兩邊盡可能拉近，使 V 的開口幅度儘量變窄，因此縮短開發時間。透過 NI 平台，使用者可提升快速原型製作與 HIL 階段的速度。先於此迅速瀏覽 V 模型的建立與設計階段。

 

模型建立與設計 

要透過模型式設計來縮短 V 字，關鍵之一是儘早於設計階段開發嵌入式控制。透過模型製作，即可在還沒有硬體原型之前，先開始模擬控制行為。此外，可重複使用先前設計所使用的模型，進一步縮減製作模型的工作。如果已有原型或現有的硬體，則可使用實際的輸入/輸出資料來補足模型建立作業，使用如 NI LabVIEW 系統識別 (System Identification) 工具組的相關工具，以利用系統識別技術來製作模型。

LabVIEW 或 MATRIXx 之類的軟體工具，可於互動式環境中提供多種高級控制設計工具，協助設計者快速評估控制系統，且不需要硬體原型。此功能讓工程師可立即判斷規格、需求，與模型錯誤，不需要到設計流程後期才進行測試。

工程師使用各種工具來建立控制系統的模型並進行設計。利用 NI LabVIEW 控制設計 (Control Design) 工具組，即可使用圖形化工具來設計並分析控制系統。NI LabVIEW 模擬 (Simulation) 模組，則可將動態系統模擬整合至 LabVIEW 環境中。使用者可在程式區的模擬節點中，建立線性、非線性、離散，與連續機器設備或控制系統的模型，然後在 Windows 或即時硬體中執行模擬。

NI MATRIXx 系列產品是 1 套完整的控制設計軟體套件，其中包含 SystemBuild 簡單易用的圖形化環境，用於快速開發模型與模擬。SystemBuild 為開發並管理大型複雜模型的優異環境。

除了 NI 的模型製作與設計軟體工具之外，NI 平台亦可整合其他軟體所撰寫的模型與程式碼，包含於 The MathWorks, Inc. Simulink® 與 MSC CarSim  中所開發的模型，或以 C 與 Fortran 手動撰寫的模型。由於 NI 軟體與硬體採用開放技術，因此使用者幾乎可從任何軟體中設計模型。

 

連結 LabVIEW 與 Simulink 軟體

LabVIEW 模擬介面 (Simulation Interface) 工具組可溝通 Simulink 環境。此外，此工具組具有專利的使用者介面工具，可檢視並控制 Simulink 環境中的資料。Simulink 軟體可於執行 LabVIEW 的在桌上型電腦進行離線模擬，或將動態模型下載至即時系統中，進行快速控制原型製作或 HIL 測試。

為了獲得即時的佈署功能，使用 The MathWorks, Inc. Real-Time Workshop® 軟體配合模擬介面工具組中的額外元件，可從模型中產生程式碼，然後再於即時環境中執行。 

 

為模擬模型建立 LabVIEW 使用者界面

LabVIEW 模擬介面工具組將 LabVIEW 為數眾多的使用者介面功能帶入至儀器模擬模組中。以使用 LabVIEW 所有的視覺化控制器與指示器，如旋鈕、滑動軸、圖表、圖形、按鈕，與 LED 建立客制化的人機介面。

若要連接模型，僅需將 NI Signal Probe 區塊放進模擬流程圖中。在安裝 LabVIEW 模擬介面工具組之後，即可於 Simulink 環境中找到此 NI Signal Probe 區塊。隨後可透過 SIT Connection Manager，從 LabVIEW 控制器和指示器建立映射 (mapping) 至模型的任何訊號或參數。

 

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 在完成映射之後，LabVIEW 會自動產生可連接 LabVIEW VI 與模型的程式碼，讓使用者修改參數，並在執行時檢視模擬訊號。

 

即時軟體

在執行軟體模擬之後，即可進入模型的即時佈署階段。NI 提供大量的即時軟體與硬體，可精確執行模型並介接至多種 I/O。

LabVIEW Real-Time Module 可擴充 LabVIEW 的功能，將現有的即時系統做為目標。透過 LabVIEW Real-Time，LabVIEW 的程式碼可達到真正的即時效能，循環時間 (Cycle time) 可達數百微秒之內，並降低抖動 (Jitter) 程度。

利用 LabVIEW FPGA Module，可建立客制化的 HIL 設備，以產生迅速變動的訊號（如來自傳動軸、凸輪軸的訊號，或是 LVDT 等位移計的訊號)。FPGA 亦可擷取信號，並執行內建處理功能、進行 PWM 訊號調變、解碼客制數位協定，並以及消除類比信號等操作。 

 

即時硬體

NI 提供多種平台可搭配 HIL 與 RCP 應用，並視應用環境所需的 I/O 與處理需求而定。NI PXI 平台為 1 種高效能的系統，專為測試與量測而設計，並為 HIL 應用的理想平台。標準電腦亦可做為即時系統。這種解決方案可應用於研究實驗室中，用於低通道數的 I/O 控制器。CompactRIO 則為彈性平台，適用於控制系統的原型製作。

 

於 CompactRIO 中快速進行原型製作

 

由於軟體模擬無法滿足實際動態環境的所有獨特行為，因此必須開發硬體原型，以協助於真實環境中測試控制運算法。這個快速控制的原型製作，即為控制設計 V 流程的第二階段。如圖所示，控制器設計在即時環境中進行測試，並連接至實際或模擬機體。此步驟可在設計流程初期反應出模型的可行性，並針對控制設計進行驗證作業，得以在完成生產系統的設計之前，即對控制器與硬體設計進行修正。

 

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任何 1 種 NI 即時硬體平台均可佈署原型；但由於 CompactRIO 的封裝、堅固，與彈性特色，因而成為最理想的平台。CompactRIO 嵌入式系統包含 1 組即時處理器，可控制運算式、執行資料記錄，並上傳至網頁。CompactRIO 亦可整合至 FPGA 機箱，為高速訊號擷取與產生作業提供彈性和效能。透過 CompactRIO，即可溝通現有模組與實際訊號 (如類比、數位、CAN、PWM、MIL-STD-1553，與 ARINC-429)。

可參閱使用者解決方案，以了解 Drivven Inc. 公司如何使用 CompactRIO，為機車 ECU 進行原型製作，並省下 21 個月的工作日。 

 

於 Simulink 環境中所開發的控制模型即時建置作業

透過 Real-Time Workshop 與 Microsoft Visual Studio 編譯器，在 Simulink 環境中所開發的模型可產生由 LabVIEW 呼叫的 DLL。

 

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利用 SIT Connection Manager，即可輕鬆設定模擬模型輸入埠與輸出埠的實際 I/O。使用者可透過此介面設定 NI 資料擷取卡、FPGA 設備，與 CAN 設備的組態。隨後 LabVIEW 產生具備 I/O 擷取與產生功能的程式碼，並可和進一步操作機器設備的模型。

在執行該 LabVIEW VI 時，系統將自動下載程式碼至即時硬體，以精確執行模型。使用者介面並透過系統與主機間的乙太網路進行更新。

點選此處觀看 LabVIEW 即時佈署模擬模型 Demo。

 

佈署目標

此階段的控制器即佈署於系統硬體上。系統硬體可為電子控制單元 (ECU)、現成的控制器與機箱 (如 PXI 與 CompactRIO)，或客制硬體。工程師可根據控制器模型，自行撰寫系統軟體、使用如 LabVIEW Embedded 的自動化程式碼產生工具，或是混合使用 2 者，以完成目標佈署。 

 

使用 PXI 進行 HIL 測試

在 HIL 測試中，使用者不需實際硬體或操作環境，即可模擬最後系統的即時行為與特性，以檢驗生產系統的控制器。如下圖所示，控制程式碼正於目標控制器硬體上執行，而機器設備則在 1 部測試電腦上進行即時模擬。

 

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在這個測試階段中，重點是測試控制器的完整功能。雖然系統硬體可連接實際的機器設備，但是使用模擬的機器設備 (如引擎) 進行測試有幾個好處。HIL 測試器要比實體引擎更節省成本，而且更容易重製。模擬引擎也可以模擬多種作業狀況，甚至錯誤情況 (如引擎失效)，而對於實際機器設備而言，上述多項作業不僅成本昂貴，而且危險性較高。

PXI 是 HIL 系統的理想平台。PXI 採用 CompactPCI 標準。標準系統包含 1 個機箱、控制器，與所需的 I/O 模組。控制器包含 1 個處理器、永久儲存裝置，與記憶體等。在作為即時系統使用時，LabVIEW 應用程式將下載至控制器上的嵌入式處理器。當執行應用時，則將存取系統 I/O 模組所傳來的資料。PXI 不僅具有高效能，並可擴充至數百甚至數千個通道。

PXI 系統並可使用多種 I/O，包含類比與數位I/O、CAN、PWM、動態信號、運動控制、影像擷取，與系統整合商模組。就和 CompactRIO 平台相同，除了可使用 FPGA 模組之外，並可透過 LabVIEW 進行程式設計，獲得最佳的客制功能。PXI 系統亦可完美整合 HIL 系統所需的標準匯流排，如CAN、Ethernet、MIL-STD 1553，與 ARINC 429。由於 PXI 為開放技術，因此客制化或系統整合商的 PXI 或 cPCI 模組均可輕易整合至 PXI 系統。

 

HIL 模擬技術

HIL 系統可具備數個元件。主要元件是機器設備模型模擬，並以即時方式執行，以模擬機器設備的動態特性。I/O 模組可接收控制器輸出，並將機器設備的模擬訊號傳回控制器。

 

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透過 FPGA，即可製作客制 I/O，並配合模擬的特殊需要。HIL 系統的其他元件可包含測試資料記錄與測試向量排序 (Sequencing of test vector)。

完整系統具有 1 組操作介面的主機 PC、1 個測試自動化介面 (如NI TestStand)，與後續處理工具 (如 DIAdem)。

 

 

點選此處以了解 Micronova 如何使用 FPGA 製作新的 HIL 產品，並模擬 12 汽缸燃油噴射器。     

 

NI 的合作夥伴

NI 的優點之一是對於技術領先之產品的重視。透過 NI 旗下龐大的合作夥伴與系統整合商，NI 可提供完整的解決方案，滿足 RCP 和 HIL 的需求。專精於 HIL 和 RCP 的合作廠商包含 MicroNova、Wineman Technologies、Averna，與 KGC。 

再者，NI 持續地發展產品合作關係，為客戶提供開放且彈性的解決方案。這些合作夥伴包含 MSC CarSim 和 TESIS DYNAware，為載具動力模型建立工具的供應商；含有匯流排介面製造商，如 Condor Engineering。

 

LabVIEW 平台的優勢  

LabVIEW 為動態系統控制設計與測試作業提供開放平台。透過 NI 平台，即可使用自己所需的設計軟體，配合可擴充的模組化硬體平台，以即時方式佈署模型設計。

若需要工程師直接前往公司展示 LabVIEW，請立刻聯絡 NI 或撥打 (02) 2377-2222。 

 

Simulink® 和 Real-Time Workshop® 是 The MathWorks, Inc. 的註冊商標。