使用虚拟原型技术降低机电系统设计与开发的复杂度

虚拟仪器技术的创始人和领导者美国国家半导体（National Instruments，NI）充分利用现有成熟的商业技术，如计算机、以太网、FPGA等，为客户提供自定义的测量和控制解决方案。

NI的产品被广泛使用于各个国家和行业中，所有需要进行原型开发测量、测试以及自动化的研究和设计人员，都有可能使用到NI的产品。

机电系统设计

上世纪末装备制造业发生了很大的变革，一方面为了适应全球化的竞争市场对制造业的产能、产量和高品质的要求不断提出新的挑战；另一方面，电子技术、计算机技术，特别是以软件为核心的控制技术得到了飞速发展。在这种需求与技术双重推动的大背景下，现代机械系统所需集成的功能越来越多，如：需要更高速的动作控制以提高效率，依靠机器视觉保证检测的可靠性，高速I/O完成对机器状态监控等等。基于这些原因系统的开发也越来越复杂。

传统的设计方法必须采用依次涉及顺序的流程开发方式，这种方法不仅开发周期长，而且各步骤间缺乏有效交流，设计无法达到最优化，开发的不确定性和风险也无法降低，为了从整体上解决这些问题，制造业新兴系统技术--机电一体化近年来在国外装备制造业得到了越来越广泛的发展与应用。机电一体化（Mechatronics）技术最初由日本提出，是一种从整体角度对机器系统进行设计和开发的方法，它综合考虑了机械、电气、控制、嵌入式软硬件等各种技术手段。与很多新兴技术不同的是，由于机电一体化技术涉及到制造业这个国民经济命脉，因此各个国家机电一体化的发展都是由政府投资主导而带动产业界的发展。

机电一体化与传统开发方式的主要区别在于传统开发采用顺序方式，而这种模式被机电一体化完全打破，取而代之的是完全并行的设计开发流程。这一流程并不是简单的依靠任务间的同时开始与同步，关键是它利用虚拟原型的技术打破了各方之间的障碍，并在物理原型之前更好地完成了各种分类功能的验证与优化。

虚拟原型技术

虚拟原型技术包括两种情况，第一种是用户与机器开发商之间的虚拟原型机器仿真，如赋予传统3D设计系统动态机器工作方式，从而实现设计开发的可视化；另一种是设计工具与设计工具之间、设计人员与设计人员之间的交互验证方式，如通过电机与机械仿真完成电机的定型工作。此外控制逻辑验证、嵌入式软件实现等也都可以应用到虚拟原型技术。

图2所示的是结合虚拟原型技术的机电一体化系统开发与传统系统开发相比较的趋势图，从开发周期来看，由于机电一体化技术采用的是并行设计方式，因此其设计开发周期大大缩短。更为重要的是传统方式只有在整个系统初步搭建完成后，各项功能才能进行实际的物理原型验证，一旦发现系统存在问题，最坏情况下从机械到嵌入式实现都必须进行相应调整和修改，如此一来整个系统风险也将达到极大值。而虚拟原型验证技术则将更多的功能间验证融入到设计过程中，从而平缓了系统开发的风险，提高了系统整体优化程度。

为了实现机电一体化技术下的虚拟原型方式，需有一个统一开放的软硬件平台，从而将机械设计、电气设计、控制设计以及嵌入式设计的工具和功能相连接，进而开发无缝的硬件物理原型验证，最终发布到高性能嵌入式的硬件对象，实现整个机械系统的控制。而LabVIEW和NI的硬件系统即是这样的平台。

机电一体化设计开发过程

在设计最初阶段，机械设计与基本逻辑设计控制完全并行，控制工程师可以完成机器运行的最基本流程，然后将这些信息传递给机械工程师的三维CAD模型。

CAD设计中使用的是SolidWorks CAD模型，它是一种广泛应用的三维机械设计工具；而对于机器的运行逻辑设计则采用了NI的LabVIEW。在LabVIEW的图形化编程平台下结合SolidWorks接口工具包，从而实现机械虚拟原型的过程。

当采用LabVIEW和SolidWorks实现机械虚拟原型设计时，首先在LabView平台上创建运动控制的轮廓，然后对该运动控制的概括线进行仿真，这样即可以可视化的看到通过SolidWorks设计的3D机械模型运行相应的运动控制方式执行的机构。经过虚拟原型验证的运动控制算法可以直接发布到NI的运动控制器上，从而实际驱动相应的控制系统。在电气设计部分，由于运动控制通常是机电系统最核心的部分，而根据特定要求选择合适的电机类型和型号则成为电气设计开发过程中最大的挑战。传统方法中选型往往依靠开发人员长期经验的积累或实际试用，因此极大地限制了可选范围和效率，而利用虚拟原型仿真工具在机械设计过程中即可确定电机的扭矩和速度需求，在LabVIEW开发环境中，可以通过仿真工具完成电机的虚拟原型匹配，从而优化了电机定型的过程。

此外，在顺序开发方式下，由于机电系统采用的控制算法设计处于整个设计开发流程的末端，而此时系统往往已经机械定型，通常控制工程师为了迁就已有的机械结构而设计控制算法，不是从本身最优化方式实现系统性能。而虚拟原型中由于不引入实际的硬件开发，控制算法设计可以在更早期完成，因此最优化的控制策略在机械设计完成之前即可获得，从而与机械、电气开发过程相协调，突破了传统的时间限制并达到更好的系统性能。控制算法设计面临的另外一个问题是算法本身的设计以及如何寻找最合适的算法。LabVIEW控制设计工具提供了多种高级控制工具，如高级PID、模糊逻辑和基于模型预测算法等，借助LabVIEW平台的开放性，利用三方的控制算法完成某些领域的控制需求。再次，将LabVIEW与硬件I/O相结合，同时对系统参数进行测试，实现对控制算法的有效评估。

对于嵌入式软件设计，传统方式中需要在算法经过验证确认后再进一步发布到选定的嵌入式平台，而且工程师有可能使用某种专业的平台来开发控制策略或者借用已有的算法模块，而对于所使用的嵌入式平台则往往需要做出相应的代码移植或改写，如选择POC需要用到梯形图，FPGA要用到VHDL语言等。对于LabVIEW平台，除了完成上述算法开发虚拟原型验证外，还可以将虚拟验证算法直接发布到多种嵌入式硬件平台上，从而免去了移植的时间成本，避免了该环节上可能引入的其他错误。此外，当今的机械系统要求嵌入式硬件平台具有越来越多的复杂功能，例如控制系统的I/O扩展能力、开放性以及控制器处理能力等，基于FPGA的嵌入式平台能够很好的满足这些要求，而且由于关键的控制算法运行在核心硬件电路上，因此系统较传统基于操作系统方式或者I/O扫描方式具有更高的可靠性，并且控制算法的响应速度也大大提高。

NI可以提供全面的基于FPGA的嵌入式平台，用于满足机械系统开发商的不同测控需求。例如可编程自动化控制器用于实现嵌入式高性能机械以及嵌入式机械检测和数据记录，PXI可重复配置I/O提供更多的通道和更高的精度解决方案，而嵌入式机械系统可以实时完成检测应用，这些不同的对象在LabVIEW同一个平台上即可完成开发。

一个典型案例是DAC公司开发的接插件镀锡设备，它首先通过LabVIEW开发了相应的运动控制算法，结合LabVIEW SolidWorks工具包对该算法进行虚拟原型验证，调整相对应的参数并进行碰撞检测，最后将经验证的算法直接发布到对应的控制器上，无缝的完成了整个实际系统的控制设计与发布。

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问答选编
问：采用LabVIEW+FPGA可以实现快速的原型开发， 但现 在主要是面向于NI已经定制好的硬件，如果客户需要自 定义硬件构造，并需要配合NI的软件，这个能否实现？

答：目前不能实现，FPGA本身就是自定义硬件的结构，用 户可以通过软件来定义其运行逻辑，NI的各类FPGA平 台与测控应用中常见的I/O无缝的集成在一起，从而进 一步加速了原型开发验证过程。LabVIEW 8.5 中更提供 了新的基于配置的FPGA工程开发向导，利用状态图开 发的方式，用于控制、滤波和信号生成的IP核，此外还有 对定点数据类型FXP的支持。

问：虚拟原型技术是纯软件还是需要一定的硬件？

答：虚拟原型技术首先在软件上对系统设计阶段的4个环 节（机械设计、电子设计、控制设计、嵌入式设计）在软件 上进行交互仿真。然后直接将该设计快速无缝地发布到 系统的物理原型中，进行实际硬件系统。从仿真系统到 发布到硬件嵌入式平台不需要进行另外的代码开发或移 植。

问：在NI labVIEW中通过调用别的语言写的DLL可以实现 高精度的软定时，使用的环境是什么？如果用一般的PCI 卡采集数据，且保证系统的高实时性和同步性，使用软定 时能否做到？
答：如果要实现高精度的软定时，那么要求运行的系统为嵌 入式系统，因为通用的Windows系统的定时精度最高只 有1ms，而嵌入式系统因为任务少，可以更好的保证定时 精度。

NI有几类嵌入式系统平台，比如PXI、cFP、cRIO，在这些 嵌入式平台下，可以有高精度定时的实时性。如果还要 求有非常高的快速性，建议使用FPGA平台。

另外，NI的PXI平台对这个功能有非常好的支持，您可以 在NI网站上查到PXI同步性能的有关参数。

问：虚拟原型技术从哪些方面降低了机电系统设计开发的 复杂度?
答：在原有的机电系统设计开发中需要先对机械部分和电 气部分进行设计（如电机选型等），然后基于真实的电机 系统和机械结构进行系统测试，如果这时发现前期设计 存在问题需要推倒重新开发。采用了虚拟原型技术，可 以在机械、电气、控制、嵌入式4个方面交互仿真，在设计 阶段发现系统中存在的问题，节约开发时间和开发成本， 同时也优化了系统，使其具有更高的性能、可靠性。

问:什么是PID和模糊逻辑控制，LabVIEW如何支持？
答：PID 是工业界最常用的控制算法之一，通过调节比例积 分微分参量实现控制系统的平衡。PID参数较难调节，另 外有些情况下，由于系统有较大的响应延迟，需要用到更 加复杂的算法如模糊逻辑或人工神经网络。这些，NI Lab VIEW中提供了详尽的算法工具包，另外通过虚拟原型技 术，可以实现控制参数的调节并与仿真对象连接验证。

问： LabVIEW平台是否只能在X86系统上使用？
答：不仅是X86，LabVIEW是一个通用的开发平台，支持多 类目标对象与系统。可以用相同的图形化方式开发X86， Apple，linux以及实时操作系统下的应用程序。也可以对 FPGA，DSP，ARM进行测控应用的开发。

问：如何使labVIEW程序运行时控制CPU的资源利用率？
答：很好的问题，当前多核CPU越来越成为主流应用，而 LabVIEW自动支持多线程及进程优化。另一方面用户可 以把关键的应用指定到特定的CPU核上执行，特别是对 于可靠性要求较高的实时任务，这点尤为重要。

问：如何通过虚拟原型技术验证系统设计的有效性？
答：虚拟原型技术中实现了机械、电子、控制和嵌入式4个 部分的交互仿真。也就是说实现了对真个系统的仿真， 从而验证其有效性。控制信号输出能够直接驱动电机仿 真模型，控制机械部件进行运动，用户可以直接看到最终 的控制效果，保证系统设计。

问：LabVIEW与哪些通信总线和协议兼容?
答：LabVIEW支持多类通信总线和协议 TCP/IP，GPIB Mod bus，Serial，I2C，USB等，并且通过OPC Sever工具可以 连接其它三方工业设备。

问：LabVIEW的设计向硬件平台移植时需要注意哪些问题？
答：使用了NI的嵌入式硬件平台可以实现LabVIEW程序的 无缝快速发布，LabVIEW的一大优点就是能够紧密和硬 件平台相联系。若采用其他的嵌入式硬件平台，需要有 第三方的编译工具链和LabVIEW的嵌入式开发模块。