電子仿真平台:簡介,定義,特點,系統仿真步驟,計算機仿真技術,定義,發展,需求及特

電子仿真平台採用電路描述語言來描述電路的結構、參數以及電路的特性，接著它能夠根據使用者設定的參數對電路進行仿真計算，並根據仿真結果驗證所設計電路的可行性。它的主要作用是大規模積體電路的計算機輔助設計。

基本介紹

中文名：電子仿真平台
外文名：electronic workbench
作用：大規模積體電路的計算機輔助設計
特點：元件種類豐富、計算機高度融合等
功能：根據設定參數對電路進行仿真計算
套用學科：計算機科學、儀器科學、電子電路

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簡介

定義

特點

電子仿真平台因其簡單形象的圖示顯示、清晰直觀的操作界面、強大的電路功能仿真而成為首選的電子電路設計軟體。使用電子仿真平台下進行實際電路設計在電子仿真平台環境下進行多次的電子電路設計結果表明，它具有以下3個特點：

1、與計算機高度融合，與鍵盤上的按鍵互動性非常好。在電子電路元件參數控制與修改上，可以用鍵盤上的大小寫字母來控制;同時能發聲的蜂鳴器可以通過計算機主機板上的設備進行驅動，顯示實際電路的聲音

2、庫里的元件種類豐富、數量無窮，在電子仿真平台環境下進行電路設計，元件的使用不再受數量限制，每個庫里的元件種類都是由普通和特殊的構成，為設計者提供了非常充足的元件選擇。

3、仿真最佳化電子電路設計方案，提高電路製作成功率。通過電路仿真功能，可以對設計的電路進行預設故障現象觀察，通過對可能產生的故障進行分析和總結，更好的避免了在實際製作中出現問題，提高了電路製作的成功率。

系統仿真步驟

首先，針對實際系統建立模型。並對模型進行形式化處理，以得到計算機仿真所要求的數學模型。

第二步是仿真建模，即按照系統的特點及仿真的要求選擇合適的算法。

第三步是程式設計，即用能在計算機上運行的程式來描述第一步建立的數學模型。

第四步是程式檢驗，也就是運行程式進行調試，當然，還要檢驗第二步選擇仿真算法是否合理。

第五步是仿真實驗，根據仿真的目的從多個角度進行實驗，從而得到模型在各種情況下的仿真結果。

第六步是對仿真結果進行分析，這不但是對模型數據的處理，而且是對模型的可信性進行檢驗。

計算機仿真技術

定義

計算機仿真技術就是根據真實系統的數學模型，以計算機為工具對系統進行實驗研究的一種方法，通過在計算機上進行計算、分析、研究，獲得真實系統的定量關係，實現對真實系統加深認識和理解，為系統設計、調試或管理提供所需的信息、數據和資料。

計算機仿真技術按所使用的計算機種類，可將計算機仿真技術分為：模擬計算機仿真、數字計算機仿真和數字模擬混合仿真，這三種形式的仿真技術具有各自不同的特點。

發展

隨著複雜系統仿真套用需求的增加和計算機技術的迅猛發展，仿真體系結構面臨新的挑戰，這就使得先進的分布仿真體系結構成為建立行業仿真系統的關鍵。近十年來仿真系統的發展態勢劃分為三個階段，即：

單機單系統仿真階段研製高性能的專用仿真機;
分布互動式仿真階段企圖用通用機群構成分散式互動仿真系統;
高級結構仿真階段根據仿真的需求，在通用機群的基礎上，建立基於HLA結構的仿真系統。

美國ADI公司繼80年代研製出兩代專用仿真機AD10和AD100之後，為了迎合分布仿真發展，90年代推出了ADISIM系統。這是一個分布處理的仿真計算機系統。此後又相繼出現了一些高性能仿真軟體支撐環境，如MATRIXx、EASY5x等。分布互動仿真(DIS)的基礎是DARPA和美國陸軍在80年代共同研製的SIMNET。DIS由於採用訊息廣播機制，系統的可伸縮性和協同性不好;同時由於缺乏可靠的對象間通訊和適當的時間管理服務，不能滿足未來大規模仿真的需求。綜合仿真的最新發展是強調需要有自己的系統構架協定和通訊機制，以滿足仿真的強實時性、可重用性、可互動性、互操作性、可伸縮性和協同性，它以96～97年頒布的HLA/RTI標準為標誌。

我國的仿真技術十多年來也獲得長足發展。繼銀河仿真Ⅰ型、銀河仿真Ⅱ型計算機和超級小型仿真計算機之後，上海航天局研製的紅外目標尋的制導飛彈仿真系統，航天部一院十二所進行的長征二號捆綁式火箭全程仿真試驗，都是分散式仿真的嘗試。目前的多武器平台攻防對抗仿真，以及高性能的分散式電子對抗仿真，都是多種實體(飛機、飛彈、雷達和火炮等)參加的綜合仿真，對第三階段的仿真計算機系統(軟、硬體平台)提出了新的要求。

需求及特點

國內外研究表明，仿真套用需求從過去的設備仿真、單系統仿真，發展到今天的多系統仿真和複雜系統聯合仿真;計算機仿真技術也從單一的純數字仿真、半實物仿真、人迴路仿真發展到集面向對象、客戶/伺服器、分布計算、多媒體、專家系統及虛擬現實等多種仿真手段為一體的綜合仿真系統，其特點主要表現為分布性、異構性、互操作性/可重用性、強實時性和可互動性。

1　分布性

當今的仿真存在著一個特點，即各仿真子系統分布在不同的部門和越來越廣闊的地區，要求能獨立操控相距一定距離的群機系統，分布性已成為現代仿真套用環境的顯著特徵。分散式仿真的目的是通過網際網路來支持多個仿真套用合作完成同一項工作。分布計算模式提供一個與平台和地理位置無關的信息處理環境，從而降低了分散式套用系統開發的複雜性，提高了互操作性、可移植性和代碼的可重用性。把CSCW技術運用到分布仿真的研究，將是未來仿真發展的重要趨勢。

2　異構性

套用領域和分工的不同造成仿真系統天然的異構性。由於參與仿真的各實體充當的角色和效能參數不同，對各自仿真平台的需求也有所差異。例如飛行器仿真是屬於空氣動力學仿真系統，它是以解常微分方程為主體，數據不失真幀時間要求在1～2ms之間。而對於數據量大、功能相近的多個實體仿真最好進行向量計算。因此，可以採用各種配有面向問題仿真軟體的高性能微機、工作站及並行機構成分布仿真計算機平台，而且各節點並非孤立，相互之間還有協同關係。

3　互操作性/可重用性

主要表現為，綜合仿真強調仿真需要自己的系統構架協定和通訊機制。96年9月，負責建模與仿真主計畫MSMP的美國國防部國防建模與仿真辦公室(DMSO)正式公布了HLA文檔，其目的是提高仿真套用的互操作性和可重用性。HLA的定義包括三個部分：規則集，HLA接口規範說明，對象模型樣板OMT。HLA中將實現某種特定仿真目的的仿真系統稱為聯邦(federation)。聯邦由若干互動的仿真套用和其它一些相關的套用(統稱聯邦成員federate)、RTI(runtimeinfrastructure，簡稱RTI)和聯邦對象模型(OM)構成。聯邦成員可視為由若干對象構成，成員之間的互動通過RTI提供的服務實現。

4　強實時性

所謂強實時任務，也稱為強時限任務，要求該任務在時限之內完成，否則其結果將失去可用性。分散式實時仿真系統的關鍵技術有兩個：一是網路的實時性，即如何保證網路傳輸時間是有界和可預測的。對於網際網路的需求著重於隨機訪問和任意兩個處理機間建立聯繫。採用通用高速網、專用網或專線連線等是提高網路性能行之有效的方法。二是分散式系統的調度問題，調度策略對仿真平台的效率有著重大影響。調度策略又可分為動態調度和靜態調度兩種。顯然具有非確定性計算模型的任務只能採用動態調度策略，而對於具有確定性計算模型的任務兩種調度策略都適用。分散式互動仿真問題是非確定性計算模型，調度的目標是正確反映成員之間的協作關係，提高仿真平台的運行效率，保證任務的強實時性。

5互動性

人機互動技術是今後仿真技術發展的一個重要方向。高性能仿真系統應該具備三維可視化的能力，並提供仿真結果分析的可視手段。動態圖象處理強調“實時”，即要求實時動態圖象生成，逼真反映仿真對象的現狀，以最少的控制輸入參數來實施控制。

車輛電子仿真平台

網路結構

綜合車輛電子仿真平台用4台PC機作為網路節點，使用CAN匯流排連線4個節點構成網路。系統結構如圖所示。其中1號PC機模擬主控端，2號PC機模擬駕駛員終端，3號PC機模擬車長終端，4號PC機模擬性能仿真終端。

工作原理

仿真平台的4台PC機作為網路節點，既相互獨立，又彼此進行信息互動。主控端對各終端信息進行分析、處理，並做出判斷，下達命令。駕駛員、車長終端按主控端指令進行子終端系統的操作訓練。同時，駕駛員終端與車長終端之間也存在信息傳遞：駕駛員把車輛行駛工況報告給車長，車長對駕駛員下達指揮命令，如左轉、右轉、加速、減速等。性能仿真終端運用Matlab軟體對車輛綜合電子系統的主要設備進行參數選擇、故障設定等，並模擬出系統工作曲線，使系統定位故障準確、迅速，維修故障形象、直觀。

系統終端的軟體環境採用WindowsXP作業系統，用BorlandC++Builder6語言編寫程式代碼，完成對CAN控制器的操作，傳送、接收報文的處理，糾錯處理以及界面設計等工作。終端顯示界面在重現實車界面功能的基礎上，還添加了外部硬體功能模組，使系統功能全面化，完整化。採用C++Builder軟體自帶工具DatabaseDesktop建立資料庫，對數據信息進行儲存和管理。將資料庫檔案與工程檔案存儲在同一目錄下，通過資料庫組件即可實現數據的添加、刪除、修改等。

主控端設計

主控端程式分為3個基本模組：網路管理模組、子終端管理模組和通信服務模組。其結構如圖所示。

網路管理模組的功能是：對CAN網路系統進行狀態監測及故障識別，確保數據信息實時、準確傳送。

子終端管理模組的功能是：系統工作參數的配置，如系統環境、車輛工況、各子終端的報警越限設定等;工作流程的設定，通過多媒體動畫顯示的方式指揮子終端系統的操作訓練;外部數據源，運用實時資料庫技術建立各子終端系統的資料庫，同時實現數據的顯示、更新、查詢、統計及報表輸出等。

通信服務模組的功能是：利用CAN卡及其函式館，實現與各子終端系統的網路通信，完成通信命令數據的編解碼及特殊處理。

駕駛員終端設計

駕駛員終端信息很多，但對於不同階段駕駛員所關心的信息，所進行的操作是不同的。根據某型戰車的任務特點，把車輛行駛分成4個工作階段。根據不同階段駕駛員關心的信息不同，採用虛擬儀表技術、多媒體技術等設計的3個不同顯示界面是：(1)硬體仿真操作界面;(2)儀表配電板界面;(3)虛擬儀表顯示界面。不同界面間可通過切換鍵進行切換。硬體仿真操作界面和儀表配電板界面分別如圖所示。

車長終端設計

將車長終端外部設備(雷射報警設備，車載衛星定位接收機、天線、電子羅盤)的數據源存儲於主控端的資料庫中，車長終端通過CAN匯流排從資料庫獲取所需數據，經過處理，將信息以直觀的圖形視窗方式顯示出來。車長終端同時接收用戶通過顯示屏上的鍵盤輸入的信息，並完成相應的操作。

車長終端軟體功能如圖所示。

主程式包括4大模組，用戶可選擇相應的工作方式進行有關操作，可執行系統不同的功能有：

1　作戰指揮

該功能是系統在戰時執行作戰指揮控制的最常用方式，軟體接收、處理和控制系統配備的各種電子設備，完成戰場綜合態勢感知、信息共享，實施指揮控制及與上級和友鄰的協同作戰等功能。

2　模擬訓練

該功能是在平時為操作使用人員進行訓練而設計的，在此方式下系統僅啟動通信設備進行車內、車間的互通、互連，啟動設備模擬軟體模擬設備的輸入信息，進行相應的控制處理，使用模擬軟體按照預先裝入的想定，模擬部隊的開進，從而實現系統的模擬訓練。

3　系統管理

該功能是提供給系統的安裝、維護、管理人員使用的，在軟體安裝成功後，對系統的運行環境進行配置，對系統運行過程中產生的數據進行管理，對系統連線的設備進行維護、測試和控制。

性能仿真終端設計

運用Matlab中的Simulink實現仿真功能，Simulink是一個進行動態系統建模、仿真和綜合分析的集成軟體包。通過對模型進行參數設定，選擇系統工況，即可模擬出各種工作曲線，讓乘員不但可以了解平台仿真過程中具體環節的動態細節，還能了解各器件、各子系統間的信息交換，掌握各部分之間的互動影響。通過對設備模型隨機故障的設定，可以模擬平台對各終端系統故障的監測與診斷。

電子仿真平台