СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2015 Методика аппаратно-программного моделирования и тестирования проектируемых систем В статье описана методика применения программного обеспечения для моделирования и тестирования в реальном времени проектируемых аппаратных средств цифровой обработки сигналов на основе ПЛИС. Владимир Вычужанин (г. Одесса, Украина) В ВЕДЕНИЕ В настоящее время проектировщики используют различные методы разра- ботки систем цифровой обработки сиг- налов (ЦОС), позволяющие настраи- вать и тестировать подобные системы в реальном времени. Проектирование систем ЦОС преимущественно осу- ществляется на основе двух подходов. При первом подходе функциональ- ность и производительность системы ЦОС исследуют и настраивают с помо- щью программного обеспечения (ПО) инструмента моделирования. Уровень доверия к полученным результатам определяется соответствием модели системы заданному проекту. Программ- ное обеспечение моделирования обе- спечивает гибкость проверки системы, позволяя исследовать различные сце- нарии её поведения. Однако модель, основанная на реальной системе, при использовании только ПО моделиро- вания обладает естественными огра- ничениями: ● время моделирования системы может быть длительным при исследовании сложных систем. Например, в элек- тромеханических системах посто- янная времени может измерять- ся в секундах, в то время как время вычисления параметров системы измеряется в микросекундах; ● ошибки в вычислениях из-за непол- ного описания системы моделью. Кроме того, некоторые элементы системы могут содержать нелиней- ные компоненты и подвергаться воз- действиям окружающей среды, кото- рые сложно учесть; ● трудности, связанные с проверкой надёжности проекта. Второй подход заключается в раз- работке проекта на целевой платфор- ме для проверки работоспособности и оценки производительности обо- рудования системы ЦОС в реальных условиях. При реализации необходи- мо запустить для исследования одно- временно как само устройство, так и его модель, получить набор данных и срав- нить полученные результаты. Этот под- ход, так же как и первый, имеет свои недостатки: ● обычно испытания системы произ- водятся в предопределённых сцена- риях эксплуатации; ● на начальных этапах проектирова- ния не всегда доступна конечная реа- лизация оборудования системы; ● стоимость тестирования зависит от выбора оборудования; ● при неопределённости в выборе системных компонентов необхо- димо уделять особое внимание без- опасности. П ОДХОД HIL Преимущества обоих подходов соче- тает метод аппаратно-программного моделирования Hardware in the Loop (HIL, включение оборудования в пет- лю управления). Методология HIL [1–5] обеспечивает промежуточный уровень контроля разрабатываемых систем – между программным обеспечением моделирования и тестированием обо- рудования проекта. При использова- нии HIL-подхода проект разворачи- вается аппаратно и работает в режиме реального времени. При запуске моде- ли в Simulink происходит её взаимо- действие непосредственно с аппарат- ной реализацией проекта в ПЛИС, как единого целого в процессе моделирова- ния. При этом рекурсивные алгоритмы, использующие обратные связи, явля- ются простыми и точными. Например, при рекурсивной адаптивной филь- трации контуры управления и БИХ- фильтры обычно имеют обратные свя- зи, как часть проекта. Эти устройства подвержены ошибкам, которые могут накапливаться и усиливаться при ите- рациях, что может привести к неустой- чивости проектируемой системы. HIL- подход с программным моделирова- нием проекта позволяет обнаружить ошибки на ранних стадиях разработ- ки системы. С использованием HIL проекти- ровщик разрабатывает систему ЦОС и запускает симуляции моделей, описы- вающих её аппаратные и программные составляющие, а окружающие систе- му компоненты (генераторы, датчики, измерительные устройства и т.д.) моде- лируются в программной среде. Рабо- чие данные могут быть загружены на ПК и проанализированы с использова- нием различных средств. Такая мето- дика позволяет сочетать гибкость про- граммного обеспечения с реальной точностью аппаратуры и ускорить выполнение разработки. Традиционно проектирование сис- темы ЦОС состоит из следующих эта- пов (это относится ко всем встроенным системам управления на базе микро- контроллеров и ПЛИС – прим. ред. ): ● формализация технического зада- ния (ТЗ) с разработкой структуры системы; ● построение математической модели (например, в среде MATLAB/Simulink) и моделирование системы; ● перевод математической модели про- ектируемой системы в текстовое опи- сание с использованием, например, языка HDL (Verilog, VHDL); ● разработка тестов для проверки соот- ветствия математической модели соз- данного HDL-описания проектируе- мой системы с последующим моде- лированием; ● реализация проекта на базе, напри- мер, ПЛИС с проверкой соответ- ствия требуемых аппаратных затрат, быстродействия и т.д. требованиям, установленным ТЗ; ● отладка системы. В основе методики аппаратно-про- граммного моделирования проекти- руемых систем ЦОС лежит интегра- ция перечисленных этапов в единый итерационный цикл проектирования, с включением автоматизации процес-