基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計開放實驗基地實現(xiàn)模式

羅天洪，吳不得，李 紅

(1.重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074; 2.北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100120)

基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計開放實驗基地實現(xiàn)模式

羅天洪1，吳不得1，李 紅2

(1.重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074; 2.北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100120)

基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計開放實驗基地的建設(shè)包括硬件和軟件兩部分，涉及硬件在環(huán)實驗的實驗?zāi)Ｊ胶驮囼灹鞒蹋接懥藰?gòu)建硬件在環(huán)實驗平臺的技術(shù)途徑，搭建了平面組合機構(gòu)的硬件在環(huán)測試平臺，對該環(huán)境下機構(gòu)的實測和仿真實驗結(jié)果進行了分析。借助實驗基地實現(xiàn)模式的研究，使高校實驗室能夠更好的開展綜合性、開放性實驗，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)能夠更科學(xué)、有效地進行。

硬件在環(huán);實驗基地;實現(xiàn)模式;技術(shù)途徑

一、引言

目前高校實驗室的硬件設(shè)備種類和技術(shù)條件雖然比以前有了長足的進步，但往往還不能滿足創(chuàng)新開放性實驗的復(fù)雜性和多樣性需要，綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新型實驗大都不能很好的進行，這在很大程度上制約著大學(xué)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展水平［1］。硬件在環(huán)技術(shù)作為一種新興功能強大的仿真技術(shù)，其在安全、可行性和成本上都具有顯著的優(yōu)勢［2］，因此，可以考慮通過虛擬儀器和硬件在環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和接口技術(shù)［3］，來搭建一個設(shè)備種類齊全、手段多樣的綜合性創(chuàng)新基地平臺，以此達(dá)到高校建設(shè)創(chuàng)新型實驗基地的要求。

一個典型的硬件在環(huán)(Hardware in the loop)包括用于從被控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的傳感器，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的傳動器，一個用于數(shù)據(jù)處理的控制器，一個人機界面(HMI)，以及一個仿真分析平臺。要精確地仿真測試系統(tǒng)中物理上并不存在的部分，一個實時系統(tǒng)是非常必要的。I/O接口是與被測部件交互模擬、數(shù)字、測量和總線信號［4］，用戶可以用它們來產(chǎn)生激勵信號，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)，并提供被測的電子控制單元(ECU)與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器/執(zhí)行器交互;操作界面與實時處理器相通，提供測試命令和可視化環(huán)境，在大多數(shù)情況下，這個部件也提供配置管理，測試自動化，承擔(dān)分析和報告任務(wù)。

硬件在環(huán)仿真最顯著的特點是可以對實際情況進行很好的模擬，對于高校實驗室來說，無論是創(chuàng)新成果的測試還是設(shè)計型和開放創(chuàng)新型實驗，準(zhǔn)備數(shù)量種類繁多的硬件設(shè)施是不現(xiàn)實也是不必要的［5］。構(gòu)件基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新實驗基地，可以允許實驗者根據(jù)平臺上提供的虛擬器材自由搭建任意合理的典型實驗，或?qū)嶒炏到y(tǒng)案例，這一點是該實驗基地有別于一般教學(xué)實驗室的重要特征。硬件在環(huán)仿真還可以在真實世界中不能實現(xiàn)的極端條件下對創(chuàng)新成果進行測試，而不用準(zhǔn)備全系統(tǒng)所需的實際硬件。除了可以滿足教師對各層次實驗教學(xué)的需求，實驗基地還為學(xué)生自由搭建實驗?zāi)Ｐ吞峁┝丝赡?，學(xué)生可通過虛擬實驗平臺動手操作，又可自主設(shè)計實驗，這樣可以很好的培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。

二、基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新實驗基地實現(xiàn)模式

(一)硬件在環(huán)實驗?zāi)Ｊ?/h3>

硬件在環(huán)技術(shù)綜合了物理仿真和數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點，利用虛擬儀器和仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對實驗的模型部分進行靈活快捷的仿真，學(xué)生通過對實驗平臺生成的數(shù)據(jù)進行分析和總結(jié)，得到實驗結(jié)果。實驗基地的綜合開放性實驗以及對創(chuàng)意成果的測試，構(gòu)成復(fù)雜的采用“目標(biāo)機構(gòu)－I/O硬件－實驗PC平臺－HMI平臺”的實驗?zāi)Ｊ?。實驗基地提供部分實驗設(shè)備的實驗可以采用“目標(biāo)機構(gòu)+其它實體機構(gòu)組合－I/O硬件－實驗PC平臺－HMI交互平臺”模式，如圖1所示:

圖1 實驗?zāi)Ｊ?/p>

(二)創(chuàng)新實驗平臺

創(chuàng)新實驗基地的硬件在環(huán)實驗除了目標(biāo)機構(gòu)外，還包括其它機構(gòu)、I/O硬件、PC實驗平臺、HMI人機交互平臺4個模塊，如圖2所示。其他機構(gòu)指創(chuàng)新實驗室可以提供的實驗硬件資源，或者實驗內(nèi)容必須的需要直觀反映的機構(gòu)組合。實際機構(gòu)的運用應(yīng)考慮這些機構(gòu)的仿真復(fù)雜度，在條件允許的情況下通過運用實際機構(gòu)來減少實驗的前期準(zhǔn)備工作，提高實驗效率。I/O硬件主要指硬件在環(huán)實驗所需的數(shù)據(jù)采集模塊，實驗平臺通過I/O接口與被測機構(gòu)交換模擬、數(shù)字和測量信號，獲取用于記錄和分析的數(shù)據(jù)［6－7］，并提供被測控制單元(ECU)與仿真虛擬實驗平臺之間的傳感器與執(zhí)行器交互。數(shù)據(jù)采集模塊主要包含傳感器、接口技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)幾個方面。一方面通過將實際硬件產(chǎn)生的速度、加速度、位移以及電學(xué)等測量信號傳送至實驗平臺以供分析［8－9］，另一方面將實驗平臺的控制信號準(zhǔn)確快捷的傳遞至每一個ECU部件。PC實驗平臺是整個硬件在環(huán)實驗平臺的“大腦”所在，包含數(shù)據(jù)實時控制器、虛擬儀器庫和數(shù)據(jù)的分析處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊可以選用Labview軟件作為開發(fā)平臺，用Matlab和Simulink作為數(shù)學(xué)和計算引擎，利用VRML、Workbench等技術(shù)實現(xiàn)用戶和模型之間的數(shù)據(jù)交互，并通過JAVA或其他語言進行數(shù)據(jù)處理模塊的具體編寫。實時控制器包含物理運動控制和電子仿真控制，通過將數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為具體的激勵信號，準(zhǔn)確、實時的控制目標(biāo)機構(gòu)、其它實際機構(gòu)的機械運動和電子信號，并實時控制虛擬模塊的仿真信號。虛擬儀器庫，包含元件庫、儀器庫、模型庫以及虛擬儀器組合，是虛擬儀器技術(shù)在創(chuàng)新實驗基地應(yīng)用的最直接體現(xiàn)，實驗基地事先對常用零件、儀器和簡單機構(gòu)進行仿真，將其分類整理存放，在實驗時可以隨時調(diào)用，同時也將每一次實驗的仿真機構(gòu)模型或者零件模型加以保存，不斷充實儀器庫的模型容量，進而提高實驗效率。HMI人機交互平臺與實驗PC平臺相連，是實驗者直接觀察實驗進程和實驗結(jié)果的平臺，通過現(xiàn)代高性能的運動捕捉技術(shù)、圖像采集技術(shù)和仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用，提供測試命令和可視化的實驗環(huán)境，同時也承擔(dān)配置管理和結(jié)果分析報告任務(wù)。

(三)硬件在環(huán)實驗流程

由于硬件在環(huán)技術(shù)的特殊性，此類實驗需要一定的前期工作，為了提高實驗效率，必須對實驗流程進行科學(xué)規(guī)范化的管理，使之有序高效的完成。

1.實驗準(zhǔn)備工作

硬件在環(huán)實驗的準(zhǔn)備工作可以概括為三個方面:實驗方案確定、實驗儀器準(zhǔn)備和實驗平臺搭建，如圖3所示。實驗方案的確定是前期準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個實驗過程能否順利的進行。實驗基地的實驗首先應(yīng)該由實驗者本人向?qū)嶒炇夜芾韱T提交實驗申請，并提交初步的實驗方案。實驗室在收到申請后由專業(yè)老師對實驗方案的合理性進行評估，對實驗方案不足的地方提出改進意見，并對符合要求的實驗確定最終的實驗方案，在滿足實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上爭取采用最合理最實用的實驗方案。實驗儀器的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)是整個實驗環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)備實驗所需要的設(shè)備、儀器等，包括實體機構(gòu)、儀器的準(zhǔn)備以及虛擬模塊的準(zhǔn)備。儀器庫中已有的虛擬儀器可以直接調(diào)用，實驗平臺上沒有的可以利用虛擬技術(shù)進行模擬仿真。準(zhǔn)備工作的第三階段是搭建實驗平臺，是前期準(zhǔn)備工作很重要的一環(huán)。將實際機構(gòu)根據(jù)實驗需求進行搭配組合，并連接實驗平臺，然后在需要的位置安裝傳感器、測量儀器以及控制儀器，實驗PC平臺也需要在這個階段對虛擬仿真儀器及機構(gòu)進行整合，并建立實時控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊，最終完成整個實驗平臺的搭建。

2.實驗進程的管理

為了便于不同實驗的高效進行，并對其進行規(guī)范管理，可以將每一個實驗根據(jù)情況分為申請中、籌備中、試驗中、分析總結(jié)以及平臺重建五種狀態(tài)，如圖3所示。處于實驗申請中的實驗，實驗室只需要對其實驗方案把關(guān)，篩選合理的實驗計劃。于籌備中和實驗中兩種狀態(tài)的實驗可以并行處理，即在每一次的實驗進行中，可以同時對計劃中的下一次實驗進行籌備，包括虛擬機構(gòu)的仿真以及數(shù)據(jù)處理模塊的編寫等。分析總結(jié)和平臺重建兩種狀態(tài)也可以并行處理，即在實驗結(jié)束后對結(jié)果的分析總結(jié)階段，可以立即搭建下一次實驗所需的實驗平臺。實驗基地通過對實驗進程的分類管理，可以在保證實驗順利進行的同時，根據(jù)硬件在環(huán)實驗的特殊性，并行處理，極大提高實驗基地的實驗效率。

3.實驗過程及處理

在實驗準(zhǔn)備工作完成以后，實驗室即可根據(jù)制定好的實驗計劃方案進行實驗，充分利用硬件在環(huán)的巨大優(yōu)勢，靈活快捷的進行仿真實驗。在實驗進行的過程中，按照實驗進程的管理可同時按照計劃進行下一次實驗的前期準(zhǔn)備工作。通過實驗的進行，既可以預(yù)先檢查學(xué)生的創(chuàng)意成果的合理性和可靠性，同時也可以開展基于硬件在環(huán)的開放型、綜合型和創(chuàng)新型實驗，以更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。在實驗完成以后，即可按照過程管理搭建計劃中實驗的實驗平臺，同時根據(jù)人機交互平臺提供的實驗數(shù)據(jù)，對結(jié)果進行分析總結(jié)，在驗證實驗?zāi)康牡耐瑫r進行優(yōu)化提高。

圖3 實驗準(zhǔn)備流程

(四)硬件在環(huán)仿真平臺的技術(shù)途徑

實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真需要解決的問題主要包括:仿真模型的建立，軟件平臺的建立，接口技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，編寫實時內(nèi)核(也就是實時控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊)，以及儀器庫的擴充。

①仿真模型建立:硬件在環(huán)仿真模型和普通的仿真模型不同，在通過各種仿真軟件建立模型本身之后，還必須預(yù)留與其他仿真模型和實際硬件的接口技術(shù)。② 實驗平臺的建立:目前流行的硬件在環(huán)仿真實驗臺開發(fā)工具主要是dSPACE產(chǎn)品、LabVIEW-RT和xPC目標(biāo)機系統(tǒng)?？梢圆捎肔abview軟件為開發(fā)平臺，用MATLAB和Simulink作為數(shù)學(xué)和計算引擎。③接口技術(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù):接口程序使用S函數(shù)和MATLAB中特定的專業(yè)模塊(如XPC或者VR工具箱)來完成，利用VRML、Workbench等技術(shù)實現(xiàn)用戶和模型之間的數(shù)據(jù)交互。④實時內(nèi)核采用MATLAB軟件提供的各種功能強大的函數(shù)和工具箱來完成，通過JAVA或其他語言進行數(shù)據(jù)處理模塊的具體編寫。⑤儀器庫的擴充:在實驗基地安排學(xué)生的仿真培訓(xùn)時，將對常用機構(gòu)或者儀器的仿真作為學(xué)生的訓(xùn)練內(nèi)容，并將好的作品補充入實驗基地的虛擬儀器庫中。同時，對學(xué)生的課外實踐活動中的仿真成果以及教學(xué)和科研實驗的仿真成果，在征得作者同意的基礎(chǔ)上，都可以將其收藏至實驗平臺的儀器庫中，積少成多，不斷豐富實驗基地的儀器庫。

硬件在環(huán)仿真是集合多種軟硬件技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，在試驗過程中必須解決軟硬件在接口的數(shù)據(jù)實時傳遞問題，因此有必要建立接口管理系統(tǒng)的方法來解決，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示:

圖4 結(jié)構(gòu)圖

處理器芯片通過實時準(zhǔn)確的采集接口兩端的數(shù)據(jù)信號，以基于雙口RAM的存儲單元存儲相應(yīng)的數(shù)字量，供計算機平臺使用，并將計算機系統(tǒng)的輸出信號實時準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)化成每個ECU所需的信號輸出。

三、平面機構(gòu)組合硬件在環(huán)測試平臺

為更具體的研究硬件在環(huán)實驗的實現(xiàn)形式，本文利用有限的資源，搭建了平面機構(gòu)組合的硬件在環(huán)測試平臺。試驗臺結(jié)構(gòu)如圖5，通過數(shù)據(jù)采集模塊可以實時確定硬件機構(gòu)的物理運動和電學(xué)特征，通過測試模塊對機構(gòu)運動進行測試和數(shù)據(jù)處理，通過圖像采集模塊可以為實驗進程的實時遠(yuǎn)程共享提供條件，通過PCI接口協(xié)調(diào)平臺CPU與各模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。

該平臺涵蓋了曲柄搖桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿搖桿機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、齒輪-曲柄搖桿機構(gòu)、齒輪-曲柄滑塊機構(gòu)、齒輪-曲柄搖塊機構(gòu)、齒輪-槽輪機構(gòu)、齒輪-曲柄導(dǎo)桿搖桿機構(gòu)、齒輪-曲柄導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)等共15種常見機構(gòu)，也可以根據(jù)需要拼接其他的試驗機構(gòu)，具有一定的開放性和實用性。平臺可以通過虛擬測量儀器的運用實現(xiàn)對這些機構(gòu)的物理運動如位移、速度、加速度的實時測量。通過對機構(gòu)進行仿真，并搭接實際的測試儀器，該實驗平臺也可以實時的提供實際測試和虛擬測試的結(jié)果對比，具有一定的參考意義。

圖5 實驗臺結(jié)構(gòu)圖

選取齒輪-曲柄導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)為實驗對象，其機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和實物分別如圖6所示，機構(gòu)由電機驅(qū)動，由齒輪上的偏轉(zhuǎn)滑塊帶動搖桿和導(dǎo)桿的運動。平臺通過傳感器，實現(xiàn)對機構(gòu)的精確定位，并對機構(gòu)構(gòu)件的位移和角度進行測量，由實驗平臺的測試模塊進行計算分析，實現(xiàn)對機構(gòu)速度、加速度的測量計算。

圖6 結(jié)構(gòu)圖和實物圖

實驗平臺可以通過內(nèi)置的虛擬測量儀器對機構(gòu)進行運動測試，以這些平面機構(gòu)的物理運動為例，如需對機構(gòu)的物理運動如速度和加速度進行測量，按照常規(guī)的方法往往需要昂貴的測試設(shè)備，不同的測量量有時還需要安裝不同的測試設(shè)備，比較麻煩，也不經(jīng)濟。而該實驗平臺可以通過虛擬的測試儀器，在安裝相應(yīng)傳感器的基礎(chǔ)上實時的給出機構(gòu)的物理運動狀態(tài)，測試不同的物理量也無需安裝其他儀器，通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理模塊可以很方便的對可換算量進行轉(zhuǎn)換并給出運動曲線。圖7為齒輪運動的硬件在環(huán)測試結(jié)果:

圖7 齒輪運動曲線

通過搭接實際的測量儀器，該實驗平臺也可以對構(gòu)件進行仿真分析和實測分析，并加以比較。圖8為滑塊的仿真分析結(jié)果，圖9為實際測試結(jié)果。

仿真分析為“仿真機構(gòu)+實際測試儀器”的測試結(jié)果，實測分析為測試儀器對實際機構(gòu)的測試結(jié)果，通過分析比較，可以得出結(jié)論，在準(zhǔn)確仿真的基礎(chǔ)上，硬件在環(huán)測試可以較為準(zhǔn)確的給出機構(gòu)的實際運動情況，實際機構(gòu)由于受到電機驅(qū)動的波動性和機構(gòu)間連接間隙的影響，曲線有一定程度的波動，而仿真機構(gòu)由于其理想和準(zhǔn)確性，其運動曲線較為平滑。

圖8 仿真結(jié)果

圖9 實測結(jié)果

通過研究可得出結(jié)論，基于硬件在環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計開放實驗基地可以在現(xiàn)有的高校實驗室基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并可在很大程度上節(jié)省硬件設(shè)施投入;由于硬件在環(huán)實驗的靈活性和多選擇性，該實驗基地為高校開展高水平的綜合性和可設(shè)計性實驗提供了條件，為深化教學(xué)改革，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式提供了新的思路。

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Implementation Pattern of Open Innovation Design Experimental Platform Based on Hardware in Loop

LUO Tian-hong1，WU Bu-de1，LI Hong2
(1.College of Mechantronics＆Automobile Engineering，Chongqing Jiaotong University，400074，Chongqing，China;2.EMBL Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing 100120，China)

This paper introduced the concepts and composition of the hardware in the loop technology，researched the structure of the experimental base，analyzed the experiment model and test process，summarized the technology approach of how to construct a experimental platform，and set up the testing platform of plane combination mechanism based on hardware in the loop，then discussed the experiment results.The results show that this technology can make innovation activity，creativity and innovation ability be developed systematically，scientifically and efficiently.

HIL;experimental base;implementation model;technology approach

G434

A

1674－8425(2011)09－0116－06

2011－06－10

重慶市高等教育教學(xué)改革重點研究項目(092013)資助。

羅天洪(1975—)，男，博士，教授，研究方向:虛擬設(shè)計、現(xiàn)代實驗方法。

(責(zé)任編輯 魏艷君)