DSPACE应用简介

dSPACE 实时仿真平台软件环境及应用

一、 dSPACE 简介

dSPACE实时仿真系统是由德国 dSPACE公司开发的一套基于 MATLAB/Simulink 的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台，实现了和 MATLAB/Simulink 的无缝连接。dSPACE 实时系统由两大部分组成，一是硬件系统，二是软件环境。其中硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和 I/O 接口等；软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验调试等工作。dSPACE 具有强大的功能，可以很好地完成控制算法的设计、测试和实现，并为这一套并行工程提供了一个良好的环境。 dSPACE 的开发思路是将系统或产品开发诸功能与过程的集成和一体化，即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真，从实时仿真实验到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成。 dSPACE 的软件环境主要由两大部分组成，一部分是实时代码的生成和下载软件 RTI（Real-Time Interface），它是连接 dSPACE 统与 MATLAB/Simulink 纽带，通过对RTW（Real-Time Workshop）进行扩展，可以实现从Simulink 模型到 dSPACE 实时硬件代码的自动下载。另一部分为测试软件，其中包含了综合实验与测试环境（软件）ControlDesk、自动试验及参数调整软件 MLIB/MTRACE、PC 与实时处理器通信软件 CLIB 以及实时动画软件 RealMotion 等。

二、dSPACE的优点

dSPACE 实时仿真系统具有许多其它仿真系统具有的无法比拟的优点： 1、dSPACE 组合性很强。

2、dSPACE 的过渡性和快速性好。由于 dSPACE 和MATLAB 的无缝连接，使 MATLAB 用户可以轻松掌握dSPACE 的使用，方便地从非实时分析、设计过渡到实时的分析和设计上来，大大节省了时间和费用。

3、性能价格比高。dSPACE 是一个操作平台，它可用于许多产品的开发或实时仿真测试，而不是一物一用。 dSPACE 是基于 PC 机的 Windows 操作系统，dSPACE 实时系统与主机的硬件接口使用标准 ISA 总线，从而避免用户再投资别的设备。 4、实时性好、可靠性高。

基于这些优点，dSPACE 已广泛应用于航空航天、发动机、机器人及工业控制领域。也正是由于 dSPACE 这些优点的存在，使得控制系统的开发、产品型控制器的仿真测试变得更加方便易行，大大加快了新产品的研制速度，也使控制算法及仿真测试方案的研究进入更高的境界。

三、dSPACE 软件环境介绍

3.1 代码的生成及下载软件

描述控制系统的 C 代码可以由 Simulink 方框图自动生成并下载到实时系统硬件中，这项工作主要由 MATLAB/ RTW 与 dSPACE 系统中的 RTI 来完成。RTI 的使用方法就是用图形方式从 dSPACE 的 RTI 库中选定相应的 I/O 模型，将其拖放到用 Simulink 搭建的系统模型方

框图中，并指定I/O 参数以完成对它的选定，选定后，只要用鼠标点击一下对话框中的 Build 命令，RTI 就会自动编译、下载并启动实时模型。另外，RTI 还根据信号和参数产生一个变量文件，可以用 dSPACE 的试验工具软件如 ControlDesk 来进行变量的访问。当仿真系统比较复杂时，就需要 RTI－MP 的帮助以完成多处理器系统的设计并建立多处理器网络结构。

3.2 测试软件

dSPACE 提供的测试软件主要有：ControlDesk 综合实验环境、MLIB/MTRACE 实现自动试验及参数调整软件。 1、 ControlDesk

ControlDesk 是 dSPACE 公司开发的新一代综合试验和测试软件工具，提供对试验过程的综合管理，它可实现的功能包括： 1) 对实时硬件的可视化管理 2) 用户虚拟仪表的建立 3) 变量的可视化管理 4) 参数的可视化管理 5) 试验过程的自动化

2、MLIB/MTRACE

利用 MLIB 和 MTRACE，可以大大增强 dSPACE 实时系统的自动试验能力。使用这两个库可以在不中断试验的情况下从 MATLAB 直接访问 dSPACE 板上运行的应用程序中的变量。甚至无需知道变量的地址，有变量名就足够了。这样就可以利用 MATLAB 的数字计算及图形能力进行顺序自动测试、数据记录和控制参数的优化。 MLIB 和 MTRACE 联合使用可组成一个完美的整体。有 MATLAB 强大的计算能力做支持，可以自动执行所能想到的任何试验。比如控制器的优化：用 MTRACE 记录数据，然后将数据传送给 MATLAB。MATLAB 自动计算出新的控制器参数，并通过 MLIB 送回处理器板或控制板，示意图如下图所示：

总之，dSPACE 是进行基于 Simulink 模型半实物仿真和实时控制的首选工具，利用以上软件工具可以完成从系统建模、分析、离线仿真到实时仿真的全过程如下图 1 所示。

四、dSPACE硬件体系介绍

dSPACE的硬件体系主要有以下几个部分构成： 1、单板系统

单板系统主要由CPU与外围I/O集成部分以及DS1103及DS1104处理器板等；

2、组件系统 图2硬件系统示意组件系统则是由处理器板、I/O板、多处理器系统等几部分构成； 3、其他硬件

主要包括扩展箱、单主机多系统的连接板、连接器和LED板等，根据实验目的的不同会做出相应的改变。

五、利用 dSPACE 进行控制系统的开发

我们在进行控制系统的开发时，常常需要面临许多难以解决的问题，而开发的时间却要求愈来愈紧迫。由于制造过程中存在误差、老化及元器件装配等问题，对控制系统提出了相当高的可靠性要求；对控制性能越来越高的要求使控制算法也越来越复杂；并行工程要求设计、实现、测试及生产准备同时进行；有时控制对象在开发过程中也在不断发生变化。由上述过程可以看出，传统的开发方法至少存在三个较大的问题：

在对控制规律的控制特性或控制效果还没有一点把握的情况下，硬件电路已经制造了，这时还不知道设计方案能在多大程度上满足要求，或者根本不能满足要求。

由于采用手工编程，会产生代码不可靠的问题，这样在测试过程中对出现的问题，很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是手工编程将会占用大量的时间，导致虽然有了控制方案，却要等待很长的时间才能对其进行验证和测试，从而在不知道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间、人力和物力，给开发带来了不必要的开支和经济损失。 即使软件不存在问题，如果在测试过程中发现控制方案不理想，需要进行修改，则新的一轮工作又将开始。大量的时间又将耗费在软件的修改和调试上。另外，由于涉及的部门和人员过多，再加上管理不善造成的种种不协调，导致开发周期长而又长。 而用 dSPACE 提倡的基于模型面向应用的现代化开发方法则要有效的多。现代开发方法的最重要的特征就是计算机辅助控制系统设计（CACSD：Computer-Aided Control System Design）。将计算机支持工具贯穿于控制系统开发测试的全过程。CACSD 不仅仅是进行控制方案的设计和离线仿真，还包括实时 RCP、产品代码的生成和硬件在回路测试，这是一个完整的流线型控制系统开发步驟。

dSPACE 为流线型控制系统的开发提供了一套 CACSD的工具包 CDP（Control Development Package）。CDP 主要基于下列工具：

1、MATLAB：用于进行模型的分析、设计、优化和数据的离线处理； 2、Simulink:用来进行基于方框图的控制系统离线仿真；

3、Real-Time-Workshop:用来从方框图模型直接生成 C代码；

4、dSPACE 公司的 RTI：用来使代码可以在单处理器目标系统中运行； 5、dSPACE 系列软件工具：用来对闭环试验进行交互操作；

总之，利用 CDP 可以完成从系统建模、分析、离线仿真到实时仿真的全过程。对大多数用户而言，一般有以下几个步骤：

步骤 1：用线性或非线性方程建立控制对象的理论模型。该方程能用 MATLAB 的 m-file 格式或 Simulink 方框图方式表示，以便于用 MATLAB/Simulink 进行动态分析。 步骤 2：用 MATLAB 工具箱设计原始控制方案。 步骤 3：用 Simulink 对控制方案进行离线仿真。 步骤 4：在 Simulink 框图中，从 RTI 库用拖放指令指定实时测试所需的 I/O、A/D、D/A，并对其参数进行设置。

步骤 5：选择 RTW Build，自动完成目标 DSP 系统的实时 C 代码的生成、编译、连接和下载。即使是复杂的大型控制系统，该过程也只需几分钟左右。

步骤 6：用 ControlDesk 试验工具软件包与实时控制器进行交互操作，如调整控制参数，显示控制系统的状态、跟踪进程响应曲线等。 步骤 7：返回步骤 1。

总之，利用 dSPACE，可以把精力全神贯注于控制方案的构思，可以大大缩短开发周期。

六、dSPACE开发流程

如图所示，通过建模仿真等一系列过程，完成从概念设计到实物的转换，具体步骤如下： 第一步：使用MATLAB/Simulink建立对象数学模型设计控制方案进行离线仿真；

第二步：保留需要下载到dSPACE中的模块，用硬件接口关系代替原来的逻辑连接关系，并对I/O进行配置，然后设定软硬件中断优先级；

第三步：利用RTW及dSPACE 提供的RTI自动生成代码并下载，图示如下所示：

第四步：利用dSPACE进行综合实验和测试环境

七、心得与体会

系统仿真技术是科研中十分重要的技术基础，有利于缩短研制周期，减少研制经费，而运用半实物仿真软件进行半实物仿真实验，不仅弥补了软件仿真系统过少，观察不贴切的不足，也填补了硬件仿真造价昂贵，周期较长的缺点，对于科研实验研究具有重大的促进作用。作为一个全方位的计算机辅助设计平台，dSPACE 拥有简单易用的代码生成及下载软件、试验工具软件，还拥有灵活性极强的硬件组合系统，具有其它仿真机所无可比拟的优越性，我们应该掌握它。