付修鋒 賈張濤 張霄霄 楊鐵湃 安恒 李雅斯 孔祥炳 金玉川

關(guān)鍵詞 數(shù)字孿生 復(fù)雜系統(tǒng) 多機(jī)協(xié)同仿真 全數(shù)字仿真

1引言

隨著硬件處理能力的提高，復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中軟件的規(guī)模大幅增長(zhǎng)，航空航天系統(tǒng)已逐漸演變?yōu)檐浖芗拖到y(tǒng)，各類(lèi)嵌入式軟件直接影響嵌入式系統(tǒng)的效能發(fā)揮。而當(dāng)前嵌入式軟件的質(zhì)量不容樂(lè)觀，尤其是在系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試驗(yàn)證方面缺乏行之有效的測(cè)試手段，需要采用多層級(jí)、多粒度的測(cè)試驗(yàn)證方法保證軟件測(cè)試的充分性。

近年來(lái)，基于數(shù)字孿生的測(cè)試驗(yàn)證方法得到快速發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)多家單位已通過(guò)構(gòu)建數(shù)字孿生環(huán)境搭建復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的充分測(cè)試驗(yàn)證，但基于硬件的數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建存在成本高、難度大、測(cè)試充分性難以度量等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)多個(gè)廠商通過(guò)指令集虛擬化與外設(shè)虛擬化技術(shù)構(gòu)建了配置項(xiàng)級(jí)虛擬化驗(yàn)證環(huán)境，保障了多個(gè)型號(hào)測(cè)試任務(wù)的完成，并支持開(kāi)展《載人航天工程軟件工程化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CMS?RW?04》要求的目標(biāo)碼測(cè)試，但存在配置項(xiàng)級(jí)虛擬化測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境難以閉環(huán)、外圍激勵(lì)模擬復(fù)雜、測(cè)試環(huán)境充分性難以保證等問(wèn)題?；诖?，為了滿足型號(hào)任務(wù)高安全、高可靠系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證的需求，本文立足于處理器虛擬化仿真、分布式總線、基于FMI 的聯(lián)合仿真等技術(shù)方案，提出基于全數(shù)字仿真的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建方案，以進(jìn)一步提高復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證水平，保障復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和安全性[1～4] 。

2相關(guān)技術(shù)

2.1全數(shù)字仿真技術(shù)

處理器虛擬化技術(shù)是全數(shù)字仿真最重要的支撐技術(shù)，全數(shù)字仿真允許特定指令集上的軟件運(yùn)行在另一類(lèi)異構(gòu)的指令集上。在指令集層次上實(shí)現(xiàn)虛擬化，實(shí)際上是將某個(gè)硬件平臺(tái)上的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為另一個(gè)硬件平臺(tái)上的二進(jìn)制代碼，從而實(shí)現(xiàn)不同指令集間的兼容，該技術(shù)也被稱(chēng)為二進(jìn)制翻譯。虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式，即解釋執(zhí)行、動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯。

（1）解釋執(zhí)行技術(shù)方案

解釋器對(duì)源二進(jìn)制代碼逐條進(jìn)行分析，根據(jù)譯碼結(jié)果即指令類(lèi)型，分解相應(yīng)的解釋例程執(zhí)行。解釋例程在一個(gè)由軟件維護(hù)的源體系結(jié)構(gòu)（包括各種結(jié)構(gòu)寄存器、內(nèi)存狀態(tài)等）上用等價(jià)的一條或多條目標(biāo)指令來(lái)模擬源指令的執(zhí)行，獲得和源指令同樣的執(zhí)行效果。解釋器工作過(guò)程主要包括“取指令→分析指令→完成指令所需的操作→修改處理器狀態(tài)”等步驟，如此循環(huán)，如圖1 所示。

（2）動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)方案

動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯（DBT，Dynamic Binary Translate）解決了代碼發(fā)現(xiàn)與代碼定位問(wèn)題，動(dòng)態(tài)翻譯對(duì)程序運(yùn)行時(shí)得到的片段（目標(biāo)代碼塊）進(jìn)行翻譯，豐富的運(yùn)行信息克服了靜態(tài)翻譯的缺點(diǎn)，該技術(shù)稱(chēng)為即時(shí)編譯（JIT，Just in time）技術(shù)。

2.2分布式仿真總線

2.2.1DDS規(guī)范

DDS是對(duì)象管理組織（OMG）制定的實(shí)現(xiàn)訂閱/發(fā)布通信模式、滿足實(shí)時(shí)性要求的軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，該規(guī)范對(duì)分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口與行為進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.2DDS結(jié)構(gòu)模型

DDS 規(guī)范描述了2 個(gè)層次的接口，即以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/ 訂閱層（DCPS） 和數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層（DL?RL），其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。DCPS 層是DDS 的基礎(chǔ)層，為應(yīng)用軟件提供了數(shù)據(jù)發(fā)布和訂閱的功能，使發(fā)布者能夠識(shí)別數(shù)據(jù)對(duì)象并發(fā)布數(shù)據(jù); DL?RL 層是建立在DCPS 層之上的一個(gè)可選層，能夠?qū)⒎?wù)簡(jiǎn)單地集成到應(yīng)用層，在數(shù)據(jù)更新后自動(dòng)重組數(shù)據(jù)，并通知訂閱者及時(shí)更新[5～8] 。

DDS 將分布式網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)定義為主題，將數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和接收對(duì)象分別定義為發(fā)布者和訂閱者，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)的發(fā)布/ 訂閱傳輸模型。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在邏輯上無(wú)主從關(guān)系，點(diǎn)與點(diǎn)之間都是對(duì)等關(guān)系，通信方式可以是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多及多對(duì)多等。

2.2.3QoS保障

實(shí)時(shí)信息交換平臺(tái)設(shè)計(jì)通過(guò)提供QoS 策略，為各種業(yè)務(wù)提供更深程度的控制及更完善的支持。實(shí)時(shí)信息交換平臺(tái)將各種傳輸控制集中體現(xiàn)在QoS 參數(shù)上，即不同的傳輸需求無(wú)須調(diào)用不同的接口，僅須修改接口中的QoS 參數(shù)，使得面向應(yīng)用軟件的接口簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化。

3基于全數(shù)字仿真的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境

3.1整體技術(shù)方案

基于全數(shù)字仿真系統(tǒng)，構(gòu)建高精度虛擬化可配置的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)硬件環(huán)境的替代;由于復(fù)雜系統(tǒng)包通常包含多個(gè)處理任務(wù)，本文重點(diǎn)解決復(fù)雜系統(tǒng)的仿真環(huán)境與硬件環(huán)境的時(shí)鐘同步問(wèn)題，保證虛擬化仿真環(huán)境與硬件時(shí)序的一致性。針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)虛擬化仿真環(huán)境資源開(kāi)銷(xiāo)大、分布式協(xié)同仿真消息通信可靠性差的問(wèn)題，本文提出基于DDS 的分布式協(xié)同仿真技術(shù)方案，保障復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真及時(shí)鐘同步及消息通信的可靠性。針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試環(huán)境無(wú)法閉環(huán)的問(wèn)題，本文提出基于FMI 集成框架的多源異構(gòu)模型接入集成方案，實(shí)現(xiàn)Matlab 和C/ C++等模型的轉(zhuǎn)換和接入，構(gòu)建閉環(huán)仿真環(huán)境。實(shí)現(xiàn)基于全數(shù)字仿真環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境的構(gòu)建。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

為進(jìn)一步闡述基于全數(shù)字仿真的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建方案，本文主要從全數(shù)字仿真時(shí)鐘同步、高精度分布式協(xié)同仿真、多源模型仿真接入與控制等三個(gè)方面對(duì)該方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.2基于DDS的協(xié)同仿真

針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)虛擬化仿真環(huán)境資源開(kāi)銷(xiāo)大、分布式協(xié)同仿真消息通信可靠性差的問(wèn)題，本文提出基于DDS 的分布式協(xié)同仿真技術(shù)方案，保障復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真的時(shí)鐘同步和消息通信的可靠性。通過(guò)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)單處理器嵌入式軟件測(cè)試平臺(tái)，形成復(fù)雜系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建，主要解決多平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和多個(gè)處理器之間時(shí)間同步的問(wèn)題。

3.2.1多平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換

多個(gè)嵌入式軟件測(cè)試平臺(tái)是指多個(gè)單處理嵌入式軟件測(cè)試平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，且在運(yùn)行中，一個(gè)測(cè)試平臺(tái)的輸出數(shù)據(jù)可能是另一個(gè)測(cè)試平臺(tái)的輸入數(shù)據(jù)。因此，解決多個(gè)測(cè)試平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，是復(fù)雜系統(tǒng)能否成功運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

復(fù)雜系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換技術(shù)是基于DDS 發(fā)布/ 訂閱傳輸模型實(shí)現(xiàn)的。在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)信息。按照DDS 規(guī)范，把節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)稱(chēng)為發(fā)布，把節(jié)點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)稱(chēng)為訂閱。在構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境時(shí)，將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)布數(shù)據(jù)和另一個(gè)節(jié)點(diǎn)中屬于相同主題的訂閱數(shù)據(jù)捆綁起來(lái)，即可在節(jié)點(diǎn)需要該數(shù)據(jù)的時(shí)候快速獲取，如圖4 所示。

3.2.2多個(gè)處理器之間時(shí)間同步

復(fù)雜系統(tǒng)軟件有著自己的運(yùn)行時(shí)序，因此每個(gè)單處理器嵌入式軟件測(cè)試平臺(tái)有著自己的運(yùn)行時(shí)序。而復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境的多個(gè)處理器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)處理器之間的時(shí)序同步問(wèn)題也是多個(gè)嵌入式測(cè)試平臺(tái)能否正確運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

為了解決上述問(wèn)題，采用分布式計(jì)算方式，將全數(shù)字平臺(tái)部署在用網(wǎng)絡(luò)連接的多臺(tái)計(jì)算機(jī)。為保證網(wǎng)絡(luò)通信的高可靠性，采用DDS 網(wǎng)絡(luò)中間件作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡讓訕?gòu)件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于通道的系統(tǒng)模型，如圖5 所示。

該模型由通道和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，代表了由多個(gè)配置項(xiàng)軟件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。每一個(gè)單處理器軟件測(cè)試平臺(tái)代表通道上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有需要進(jìn)行信息交換的節(jié)點(diǎn)都掛接在同一個(gè)通道上。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)元數(shù)據(jù)（MetaData）和心跳信號(hào)（BeatData） 進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)可以全部部署在網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上，也可以部署在網(wǎng)絡(luò)中的任意物理節(jié)點(diǎn)上。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的描述信息分為基本信息、輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、輸出心跳名稱(chēng)和輸入心跳名稱(chēng)。其中，基本信息包含節(jié)點(diǎn)ID、通道號(hào)及節(jié)點(diǎn)類(lèi)型等信息，這些基本信息描述了節(jié)點(diǎn)在平臺(tái)中的基本特征; 發(fā)布信息描述了節(jié)點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)的相關(guān)信息; 訂閱數(shù)據(jù)描述了節(jié)點(diǎn)輸入數(shù)據(jù)的相關(guān)信息; 輸入心跳和輸出心跳都描述了節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)鐘周期。

復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境運(yùn)行需要解決的另一個(gè)問(wèn)題是多個(gè)處理器間時(shí)間同步的問(wèn)題。嵌入式軟件是按照一定的時(shí)序去運(yùn)行，因此復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)也需要統(tǒng)一步調(diào)去進(jìn)行正常運(yùn)行。采用引入一個(gè)同步節(jié)點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)去同步不同節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行周期。解決方案如圖6 所示，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：（1）當(dāng)同一通道的所有節(jié)點(diǎn)已經(jīng)處于就緒狀態(tài)后，同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信號(hào)，當(dāng)同步節(jié)點(diǎn)收到所有其他節(jié)點(diǎn)的同步好信號(hào)后，當(dāng)前平臺(tái)初始化工作結(jié)束;（2）同步節(jié)點(diǎn)中設(shè)置同步周期，假設(shè)為1ms，平臺(tái)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)先啟動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行1ms 后，把自己的輸出心跳輸出給同步節(jié)點(diǎn)，然后該節(jié)點(diǎn)停止運(yùn)行，等待同步節(jié)點(diǎn)下一次心跳數(shù)據(jù)。其他節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，當(dāng)同步節(jié)點(diǎn)收到通道中所有節(jié)點(diǎn)的心跳數(shù)據(jù)后，平臺(tái)該周期運(yùn)行完成; （3）平臺(tái)中所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行完一個(gè)周期（1ms）后，同步節(jié)點(diǎn)輸出心跳數(shù)據(jù)，通知平臺(tái)中所有節(jié)點(diǎn)繼續(xù)下一周期的運(yùn)行。如此循環(huán)，直至整個(gè)嵌入式軟件運(yùn)行結(jié)束。

3.3多源模型仿真接入與控制

本文提出基于FMI 集成框架的多源異構(gòu)模型接入集成方案，可實(shí)現(xiàn)Matlab 和C/ C++等模型的轉(zhuǎn)換和接入，構(gòu)建閉環(huán)仿真環(huán)境。復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)往往涉及多專(zhuān)業(yè)協(xié)同。典型的飛行仿真試驗(yàn)涵蓋空氣動(dòng)力學(xué)/ 運(yùn)動(dòng)學(xué)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力組件、慣性導(dǎo)航組件、控制算法等多專(zhuān)業(yè)要素。復(fù)雜系統(tǒng)的建模平臺(tái)可歸納為C/ C++，Matlab/ Simulink，SimulationX，AMESim等。

3.3.1基于FMI 標(biāo)準(zhǔn)的模型解析

當(dāng)FMU 模型導(dǎo)入集成仿真軟件時(shí)，首先解析模型的XML 描述文件，解析流程如圖7 所示，讀取模型的屬性信息和模型的輸入輸出信息，并將每個(gè)FMU的輸入和輸出關(guān)聯(lián)起來(lái)。配置好模型參數(shù)后，仿真軟件會(huì)調(diào)用執(zhí)行文件來(lái)仿真。仿真進(jìn)行時(shí)，仿真軟件對(duì)模型文件執(zhí)行調(diào)度，采用分組方式進(jìn)行單線程順序或多線程仿真。

3.3.2異構(gòu)模型系統(tǒng)集成方案

模型轉(zhuǎn)換工具使用FMI 標(biāo)準(zhǔn)將不同來(lái)源的模型封裝為FMU， 實(shí)現(xiàn)接口規(guī)范化。系統(tǒng)集成基于FMI1.0/2.0 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的接口功能，能夠?qū)⒍嘣串悩?gòu)模型封裝成的FMU，將外部軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、腳本封裝為偽FMU 并提供FMI 標(biāo)準(zhǔn)接口，可按照標(biāo)準(zhǔn)加載FMI 格式模型，與FMU 模型一同組成模型庫(kù)并調(diào)度模塊進(jìn)行仿真，方案如圖8 所示。

執(zhí)行仿真試驗(yàn)任務(wù)時(shí)，復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境的仿真引擎可通過(guò)TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接收控制執(zhí)行，執(zhí)行命令處理線程，將不同的FMU 或偽FMU 分配到不同的線程執(zhí)行操作，從而實(shí)現(xiàn)集成模型的被外部平臺(tái)調(diào)度的基本模式，系統(tǒng)仿真調(diào)度流程如圖9 所示。

3.4全數(shù)字仿真時(shí)鐘同步

復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度日益增加，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)往往包含多個(gè)分系統(tǒng)協(xié)同工作，不同分系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)不同配置項(xiàng)之間的同步。虛擬化仿真運(yùn)行條件下，單配置項(xiàng)的運(yùn)行速率受指令集架構(gòu)、指令集復(fù)雜程度、指令集實(shí)現(xiàn)方案、外設(shè)復(fù)雜程度、外設(shè)接入方式的影響。復(fù)雜系統(tǒng)涉及不同的架構(gòu)處理，不同配置項(xiàng)之間，簡(jiǎn)單的通過(guò)虛擬化仿真很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)協(xié)同仿真，需要提供一種可配置的協(xié)同仿真接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)協(xié)同仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證。

3.4.1定時(shí)補(bǔ)償技術(shù)方案

嵌入式系統(tǒng)的非周期中斷需要特定的觸發(fā)條件，在滿足條件下觸發(fā)中斷即可，不是本文的重點(diǎn)，本文通過(guò)運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)周期中斷時(shí)序的逐步求精，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)協(xié)同仿真[9] 。運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償技術(shù)主要通過(guò)控制虛擬化處理器運(yùn)行的執(zhí)行過(guò)程，系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)處理器的特性和參數(shù)，計(jì)算出定時(shí)補(bǔ)償?shù)某跏贾?定時(shí)校準(zhǔn)模塊負(fù)責(zé)記錄中斷觸發(fā)時(shí)刻并反饋給多機(jī)協(xié)同控制模塊，多級(jí)協(xié)同控制模塊根據(jù)中斷觸發(fā)時(shí)刻的誤差計(jì)算定時(shí)補(bǔ)償?shù)男拚蜃?，并?duì)定時(shí)補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，逐步求精，實(shí)現(xiàn)不同配置項(xiàng)之間的協(xié)同。為了降低多機(jī)協(xié)同仿真開(kāi)銷(xiāo)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，要盡可能提高一個(gè)補(bǔ)償周期內(nèi)運(yùn)行指令條數(shù)?；诙〞r(shí)補(bǔ)償技術(shù)的多級(jí)協(xié)同仿真技術(shù)方案及調(diào)整因子計(jì)算過(guò)程如圖10 所示。

多機(jī)協(xié)同控制是多級(jí)協(xié)同仿真的控制核心，其運(yùn)行過(guò)程如下：（1）系統(tǒng)啟動(dòng)，多機(jī)協(xié)同控制模塊獲取系統(tǒng)內(nèi)所有處理器（CPU）的初始狀態(tài);（2）多機(jī)協(xié)同控制模塊置處理器定時(shí)補(bǔ)償初始值;（3）不同處理器運(yùn)行速率不同，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)判定是否需要定時(shí)補(bǔ)償;（4）向多機(jī)協(xié)同控制模塊發(fā)送定時(shí)校準(zhǔn)信息，多機(jī)協(xié)同控制模塊根據(jù)校準(zhǔn)信息調(diào)整處理器定時(shí)補(bǔ)償。

3.4.2定時(shí)補(bǔ)償?shù)男拚蜃忧蠼馑惴?/p>

不同架構(gòu)處理器虛擬化仿真速率不同，多級(jí)協(xié)同仿真算法主要通過(guò)修正定時(shí)補(bǔ)償參數(shù)[10] ，將整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行等比放慢（加快），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)協(xié)同仿真。

4數(shù)字孿生環(huán)境時(shí)鐘同步結(jié)果驗(yàn)證

4.1多機(jī)協(xié)同仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

本文以某系統(tǒng)的控制分系統(tǒng)作為試驗(yàn)驗(yàn)證的應(yīng)用場(chǎng)景，該分系統(tǒng)包含三個(gè)配置項(xiàng)，控制系統(tǒng)處理器為DSP C6713，氣體控制模塊處理器為DSP 2812，電源管理模塊處理器為C51，不同配置項(xiàng)通過(guò)兩路CAN總線進(jìn)行通信，外部仿真數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab 仿真模型進(jìn)行接入。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11 所示。

基于全數(shù)字仿真的復(fù)雜系統(tǒng)虛擬化仿真環(huán)境構(gòu)建方法，構(gòu)建該分系統(tǒng)的虛擬化協(xié)同仿真環(huán)境E1;基于傳統(tǒng)全數(shù)字仿真技術(shù)方案，沒(méi)有采用DDS 和時(shí)鐘同步方案，外設(shè)數(shù)據(jù)輸入采用文本方式，搭建虛擬化仿真環(huán)境，記為E2。

本方案通過(guò)FMI 構(gòu)建閉環(huán)仿真環(huán)境，降低系統(tǒng)構(gòu)建的成本，提高仿真系統(tǒng)構(gòu)建效率，并提高外設(shè)仿真的精度;通過(guò)DDS 和全數(shù)字仿真時(shí)鐘同步兩個(gè)方面保證復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)序仿真的精度和不同分系統(tǒng)仿真的一致性。由于引入DDS 和全數(shù)字仿真時(shí)鐘技術(shù)，對(duì)全數(shù)字仿真系統(tǒng)的仿真效率有一定影響。分別從分系統(tǒng)仿真精度、仿真效率兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證方案的合理性，并記錄分系統(tǒng)修正因子運(yùn)行變化，進(jìn)一步驗(yàn)證本方案的可行性。

4.1.1仿真精度、仿真效率對(duì)比分析

表1 中，E1 TKs 為環(huán)境E1 對(duì)應(yīng)采樣時(shí)刻仿真時(shí)鐘周期數(shù)除以硬件環(huán)境時(shí)鐘周期數(shù);E2 TKs 為環(huán)境E2 對(duì)應(yīng)時(shí)刻仿真時(shí)鐘周期數(shù)除以硬件環(huán)境時(shí)鐘周期數(shù)。E1_Vmips 為環(huán)境E1 對(duì)應(yīng)采樣時(shí)刻仿真效率，單位為MIPS;E2_Vmips 為環(huán)境E3 對(duì)應(yīng)采樣時(shí)刻仿真效率，單位為MIPS。

試驗(yàn)表明，本方案可提升復(fù)雜系統(tǒng)仿真的精度，平均精度提升3.99%，仿真精度進(jìn)一步接近硬件執(zhí)行;仿真效率略有下降，下降0.96%。

4.1.2修正因子運(yùn)行變化記錄

驗(yàn)證系統(tǒng)三個(gè)配置項(xiàng)周期中斷的最大公約數(shù)為INT_GCD = 0.5ms，作為定時(shí)補(bǔ)償?shù)某跏贾担刂泼總€(gè)虛擬內(nèi)核的指令運(yùn)行情況，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)出修正因子的數(shù)值變化，如圖12 所示。

圖12 中，橫軸表示調(diào)整因子的調(diào)整次數(shù)，調(diào)整周期為0.5ms，縱軸表示調(diào)整因子的數(shù)值;多次運(yùn)行該虛擬化協(xié)同仿真系統(tǒng)（35 次），記錄調(diào)整因子的變化情況，對(duì)每個(gè)調(diào)整周期的修正因子累加求平均值，修正因子具體數(shù)值如表1 所列。調(diào)整十次之后，中斷的精度誤差小于千分之二，隨著系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)對(duì)修正因子進(jìn)一步求精，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)同仿真。

5結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前航空航天等高安全、高可靠領(lǐng)域嵌入式軟件的測(cè)試驗(yàn)證嚴(yán)重依賴(lài)專(zhuān)用硬件環(huán)境、測(cè)試充分性難以保證等問(wèn)題，立足于處理器虛擬化仿真、分布式總線、基于FMI 的聯(lián)合仿真等技術(shù)方案，提出基于全數(shù)字仿真的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建方案，解決復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)鐘同步、復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真、分布式仿真通信保障、基于FMI 的多源異構(gòu)模型接入等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生環(huán)境的構(gòu)建。同時(shí)，本文對(duì)數(shù)字孿生環(huán)境的時(shí)序一致性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明本方法可以提升復(fù)雜系統(tǒng)仿真的精度，系統(tǒng)能夠正確運(yùn)行，中斷、時(shí)序無(wú)錯(cuò)誤;整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中與硬件數(shù)據(jù)同步、一致、無(wú)差錯(cuò)。該數(shù)字孿生環(huán)境在空間站某艙段分系統(tǒng)的測(cè)試中得到實(shí)際應(yīng)用。