使用虛擬原型技術(shù)降低機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的復(fù)雜度

虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)始人和領(lǐng)導(dǎo)者美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（National Instruments，NI）充分利用現(xiàn)有成熟的商業(yè)技術(shù)，如計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、FPGA等，為客戶提供自定義的測(cè)量和控制解決方案。

NI的產(chǎn)品被廣泛使用于各個(gè)國(guó)家和行業(yè)中，所有需要進(jìn)行原型開發(fā)測(cè)量、測(cè)試以及自動(dòng)化的研究和設(shè)計(jì)人員，都有可能使用到NI的產(chǎn)品。

機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上世紀(jì)末裝備制造業(yè)發(fā)生了很大的變革，一方面為了適應(yīng)全球化的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)對(duì)制造業(yè)的產(chǎn)能、產(chǎn)量和高品質(zhì)的要求不斷提出新的挑戰(zhàn)；另一方面，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是以軟件為核心的控制技術(shù)得到了飛速發(fā)展。在這種需求與技術(shù)雙重推動(dòng)的大背景下，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)所需集成的功能越來越多，如：需要更高速的動(dòng)作控制以提高效率，依靠機(jī)器視覺保證檢測(cè)的可靠性，高速I/O完成對(duì)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控等等?；谶@些原因系統(tǒng)的開發(fā)也越來越復(fù)雜。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法必須采用依次涉及順序的流程開發(fā)方式，這種方法不僅開發(fā)周期長(zhǎng)，而且各步驟間缺乏有效交流，設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到最優(yōu)化，開發(fā)的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)也無(wú)法降低，為了從整體上解決這些問題，制造業(yè)新興系統(tǒng)技術(shù)--機(jī)電一體化近年來在國(guó)外裝備制造業(yè)得到了越來越廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。機(jī)電一體化（Mechatronics）技術(shù)最初由日本提出，是一種從整體角度對(duì)機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的方法，它綜合考慮了機(jī)械、電氣、控制、嵌入式軟硬件等各種技術(shù)手段。與很多新興技術(shù)不同的是，由于機(jī)電一體化技術(shù)涉及到制造業(yè)這個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈，因此各個(gè)國(guó)家機(jī)電一體化的發(fā)展都是由政府投資主導(dǎo)而帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展。

機(jī)電一體化與傳統(tǒng)開發(fā)方式的主要區(qū)別在于傳統(tǒng)開發(fā)采用順序方式，而這種模式被機(jī)電一體化完全打破，取而代之的是完全并行的設(shè)計(jì)開發(fā)流程。這一流程并不是簡(jiǎn)單的依靠任務(wù)間的同時(shí)開始與同步，關(guān)鍵是它利用虛擬原型的技術(shù)打破了各方之間的障礙，并在物理原型之前更好地完成了各種分類功能的驗(yàn)證與優(yōu)化。

虛擬原型技術(shù)

虛擬原型技術(shù)包括兩種情況，第一種是用戶與機(jī)器開發(fā)商之間的虛擬原型機(jī)器仿真，如賦予傳統(tǒng)3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)機(jī)器工作方式，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開發(fā)的可視化；另一種是設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)工具之間、設(shè)計(jì)人員與設(shè)計(jì)人員之間的交互驗(yàn)證方式，如通過電機(jī)與機(jī)械仿真完成電機(jī)的定型工作。此外控制邏輯驗(yàn)證、嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)等也都可以應(yīng)用到虛擬原型技術(shù)。

圖2所示的是結(jié)合虛擬原型技術(shù)的機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)與傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)相比較的趨勢(shì)圖，從開發(fā)周期來看，由于機(jī)電一體化技術(shù)采用的是并行設(shè)計(jì)方式，因此其設(shè)計(jì)開發(fā)周期大大縮短。更為重要的是傳統(tǒng)方式只有在整個(gè)系統(tǒng)初步搭建完成后，各項(xiàng)功能才能進(jìn)行實(shí)際的物理原型驗(yàn)證，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在問題，最壞情況下從機(jī)械到嵌入式實(shí)現(xiàn)都必須進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和修改，如此一來整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)也將達(dá)到極大值。而虛擬原型驗(yàn)證技術(shù)則將更多的功能間驗(yàn)證融入到設(shè)計(jì)過程中，從而平緩了系統(tǒng)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)整體優(yōu)化程度。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)下的虛擬原型方式，需有一個(gè)統(tǒng)一開放的軟硬件平臺(tái)，從而將機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的工具和功能相連接，進(jìn)而開發(fā)無(wú)縫的硬件物理原型驗(yàn)證，最終發(fā)布到高性能嵌入式的硬件對(duì)象，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的控制。而LabVIEW和NI的硬件系統(tǒng)即是這樣的平臺(tái)。

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)開發(fā)過程

在設(shè)計(jì)最初階段，機(jī)械設(shè)計(jì)與基本邏輯設(shè)計(jì)控制完全并行，控制工程師可以完成機(jī)器運(yùn)行的最基本流程，然后將這些信息傳遞給機(jī)械工程師的三維CAD模型。

CAD設(shè)計(jì)中使用的是SolidWorks CAD模型，它是一種廣泛應(yīng)用的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具；而對(duì)于機(jī)器的運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)則采用了NI的LabVIEW。在LabVIEW的圖形化編程平臺(tái)下結(jié)合SolidWorks接口工具包，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械虛擬原型的過程。

當(dāng)采用LabVIEW和SolidWorks實(shí)現(xiàn)機(jī)械虛擬原型設(shè)計(jì)時(shí)，首先在LabView平臺(tái)上創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)控制的輪廓，然后對(duì)該運(yùn)動(dòng)控制的概括線進(jìn)行仿真，這樣即可以可視化的看到通過SolidWorks設(shè)計(jì)的3D機(jī)械模型運(yùn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制方式執(zhí)行的機(jī)構(gòu)。經(jīng)過虛擬原型驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)控制算法可以直接發(fā)布到NI的運(yùn)動(dòng)控制器上，從而實(shí)際驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在電氣設(shè)計(jì)部分，由于運(yùn)動(dòng)控制通常是機(jī)電系統(tǒng)最核心的部分，而根據(jù)特定要求選擇合適的電機(jī)類型和型號(hào)則成為電氣設(shè)計(jì)開發(fā)過程中最大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法中選型往往依靠開發(fā)人員長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的積累或?qū)嶋H試用，因此極大地限制了可選范圍和效率，而利用虛擬原型仿真工具在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中即可確定電機(jī)的扭矩和速度需求，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，可以通過仿真工具完成電機(jī)的虛擬原型匹配，從而優(yōu)化了電機(jī)定型的過程。

此外，在順序開發(fā)方式下，由于機(jī)電系統(tǒng)采用的控制算法設(shè)計(jì)處于整個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)流程的末端，而此時(shí)系統(tǒng)往往已經(jīng)機(jī)械定型，通常控制工程師為了遷就已有的機(jī)械結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)控制算法，不是從本身最優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能。而虛擬原型中由于不引入實(shí)際的硬件開發(fā)，控制算法設(shè)計(jì)可以在更早期完成，因此最優(yōu)化的控制策略在機(jī)械設(shè)計(jì)完成之前即可獲得，從而與機(jī)械、電氣開發(fā)過程相協(xié)調(diào)，突破了傳統(tǒng)的時(shí)間限制并達(dá)到更好的系統(tǒng)性能?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)面臨的另外一個(gè)問題是算法本身的設(shè)計(jì)以及如何尋找最合適的算法。LabVIEW控制設(shè)計(jì)工具提供了多種高級(jí)控制工具，如高級(jí)PID、模糊邏輯和基于模型預(yù)測(cè)算法等，借助LabVIEW平臺(tái)的開放性，利用三方的控制算法完成某些領(lǐng)域的控制需求。再次，將LabVIEW與硬件I/O相結(jié)合，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制算法的有效評(píng)估。

對(duì)于嵌入式軟件設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)方式中需要在算法經(jīng)過驗(yàn)證確認(rèn)后再進(jìn)一步發(fā)布到選定的嵌入式平臺(tái)，而且工程師有可能使用某種專業(yè)的平臺(tái)來開發(fā)控制策略或者借用已有的算法模塊，而對(duì)于所使用的嵌入式平臺(tái)則往往需要做出相應(yīng)的代碼移植或改寫，如選擇POC需要用到梯形圖，F(xiàn)PGA要用到VHDL語(yǔ)言等。對(duì)于LabVIEW平臺(tái)，除了完成上述算法開發(fā)虛擬原型驗(yàn)證外，還可以將虛擬驗(yàn)證算法直接發(fā)布到多種嵌入式硬件平臺(tái)上，從而免去了移植的時(shí)間成本，避免了該環(huán)節(jié)上可能引入的其他錯(cuò)誤。此外，當(dāng)今的機(jī)械系統(tǒng)要求嵌入式硬件平臺(tái)具有越來越多的復(fù)雜功能，例如控制系統(tǒng)的I/O擴(kuò)展能力、開放性以及控制器處理能力等，基于FPGA的嵌入式平臺(tái)能夠很好的滿足這些要求，而且由于關(guān)鍵的控制算法運(yùn)行在核心硬件電路上，因此系統(tǒng)較傳統(tǒng)基于操作系統(tǒng)方式或者I/O掃描方式具有更高的可靠性，并且控制算法的響應(yīng)速度也大大提高。

NI可以提供全面的基于FPGA的嵌入式平臺(tái)，用于滿足機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)商的不同測(cè)控需求。例如可編程自動(dòng)化控制器用于實(shí)現(xiàn)嵌入式高性能機(jī)械以及嵌入式機(jī)械檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，PXI可重復(fù)配置I/O提供更多的通道和更高的精度解決方案，而嵌入式機(jī)械系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)完成檢測(cè)應(yīng)用，這些不同的對(duì)象在LabVIEW同一個(gè)平臺(tái)上即可完成開發(fā)。

一個(gè)典型案例是DAC公司開發(fā)的接插件鍍錫設(shè)備，它首先通過LabVIEW開發(fā)了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制算法，結(jié)合LabVIEW SolidWorks工具包對(duì)該算法進(jìn)行虛擬原型驗(yàn)證，調(diào)整相對(duì)應(yīng)的參數(shù)并進(jìn)行碰撞檢測(cè)，最后將經(jīng)驗(yàn)證的算法直接發(fā)布到對(duì)應(yīng)的控制器上，無(wú)縫的完成了整個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)與發(fā)布。

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問答選編
問：采用LabVIEW+FPGA可以實(shí)現(xiàn)快速的原型開發(fā)， 但現(xiàn) 在主要是面向于NI已經(jīng)定制好的硬件，如果客戶需要自 定義硬件構(gòu)造，并需要配合NI的軟件，這個(gè)能否實(shí)現(xiàn)？

答：目前不能實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA本身就是自定義硬件的結(jié)構(gòu)，用 戶可以通過軟件來定義其運(yùn)行邏輯，NI的各類FPGA平 臺(tái)與測(cè)控應(yīng)用中常見的I/O無(wú)縫的集成在一起，從而進(jìn) 一步加速了原型開發(fā)驗(yàn)證過程。LabVIEW 8.5 中更提供 了新的基于配置的FPGA工程開發(fā)向?qū)?，利用狀態(tài)圖開 發(fā)的方式，用于控制、濾波和信號(hào)生成的IP核，此外還有 對(duì)定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型FXP的支持。

問：虛擬原型技術(shù)是純軟件還是需要一定的硬件？

答：虛擬原型技術(shù)首先在軟件上對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的4個(gè)環(huán) 節(jié)（機(jī)械設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、嵌入式設(shè)計(jì)）在軟件 上進(jìn)行交互仿真。然后直接將該設(shè)計(jì)快速無(wú)縫地發(fā)布到 系統(tǒng)的物理原型中，進(jìn)行實(shí)際硬件系統(tǒng)。從仿真系統(tǒng)到 發(fā)布到硬件嵌入式平臺(tái)不需要進(jìn)行另外的代碼開發(fā)或移 植。

問：在NI labVIEW中通過調(diào)用別的語(yǔ)言寫的DLL可以實(shí)現(xiàn) 高精度的軟定時(shí)，使用的環(huán)境是什么？如果用一般的PCI 卡采集數(shù)據(jù)，且保證系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性和同步性，使用軟定 時(shí)能否做到？
答：如果要實(shí)現(xiàn)高精度的軟定時(shí)，那么要求運(yùn)行的系統(tǒng)為嵌 入式系統(tǒng)，因?yàn)橥ㄓ玫腤indows系統(tǒng)的定時(shí)精度最高只 有1ms，而嵌入式系統(tǒng)因?yàn)槿蝿?wù)少，可以更好的保證定時(shí) 精度。

NI有幾類嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，比如PXI、cFP、cRIO，在這些 嵌入式平臺(tái)下，可以有高精度定時(shí)的實(shí)時(shí)性。如果還要 求有非常高的快速性，建議使用FPGA平臺(tái)。

另外，NI的PXI平臺(tái)對(duì)這個(gè)功能有非常好的支持，您可以 在NI網(wǎng)站上查到PXI同步性能的有關(guān)參數(shù)。

問：虛擬原型技術(shù)從哪些方面降低了機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的 復(fù)雜度?
答：在原有的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中需要先對(duì)機(jī)械部分和電 氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)（如電機(jī)選型等），然后基于真實(shí)的電機(jī) 系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，如果這時(shí)發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì) 存在問題需要推倒重新開發(fā)。采用了虛擬原型技術(shù)，可 以在機(jī)械、電氣、控制、嵌入式4個(gè)方面交互仿真，在設(shè)計(jì) 階段發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題，節(jié)約開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本， 同時(shí)也優(yōu)化了系統(tǒng)，使其具有更高的性能、可靠性。

問:什么是PID和模糊邏輯控制，LabVIEW如何支持？
答：PID 是工業(yè)界最常用的控制算法之一，通過調(diào)節(jié)比例積 分微分參量實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的平衡。PID參數(shù)較難調(diào)節(jié)，另 外有些情況下，由于系統(tǒng)有較大的響應(yīng)延遲，需要用到更 加復(fù)雜的算法如模糊邏輯或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些，NI Lab VIEW中提供了詳盡的算法工具包，另外通過虛擬原型技 術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)并與仿真對(duì)象連接驗(yàn)證。

問： LabVIEW平臺(tái)是否只能在X86系統(tǒng)上使用？
答：不僅是X86，LabVIEW是一個(gè)通用的開發(fā)平臺(tái)，支持多 類目標(biāo)對(duì)象與系統(tǒng)?？梢杂孟嗤膱D形化方式開發(fā)X86， Apple，linux以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序。也可以對(duì) FPGA，DSP，ARM進(jìn)行測(cè)控應(yīng)用的開發(fā)。

問：如何使labVIEW程序運(yùn)行時(shí)控制CPU的資源利用率？
答：很好的問題，當(dāng)前多核CPU越來越成為主流應(yīng)用，而 LabVIEW自動(dòng)支持多線程及進(jìn)程優(yōu)化。另一方面用戶可 以把關(guān)鍵的應(yīng)用指定到特定的CPU核上執(zhí)行，特別是對(duì) 于可靠性要求較高的實(shí)時(shí)任務(wù)，這點(diǎn)尤為重要。

問：如何通過虛擬原型技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性？
答：虛擬原型技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了機(jī)械、電子、控制和嵌入式4個(gè) 部分的交互仿真。也就是說實(shí)現(xiàn)了對(duì)真?zhèn)€系統(tǒng)的仿真， 從而驗(yàn)證其有效性?？刂菩盘?hào)輸出能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)仿 真模型，控制機(jī)械部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，用戶可以直接看到最終 的控制效果，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

問：LabVIEW與哪些通信總線和協(xié)議兼容?
答：LabVIEW支持多類通信總線和協(xié)議 TCP/IP，GPIB Mod bus，Serial，I2C，USB等，并且通過OPC Sever工具可以 連接其它三方工業(yè)設(shè)備。

問：LabVIEW的設(shè)計(jì)向硬件平臺(tái)移植時(shí)需要注意哪些問題？
答：使用了NI的嵌入式硬件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW程序的 無(wú)縫快速發(fā)布，LabVIEW的一大優(yōu)點(diǎn)就是能夠緊密和硬 件平臺(tái)相聯(lián)系。若采用其他的嵌入式硬件平臺(tái)，需要有 第三方的編譯工具鏈和LabVIEW的嵌入式開發(fā)模塊。