仿真测试平台（共12篇）
仿真测试平台 篇1
0 引言
作为航天嵌入式软件第三方测评机构,由于软件测评任务时间紧、型号复杂、开发语言种类多等限制,开发一套独立的仿真测试平台需要花费较多的人力、时间、经费。很多情况下,软件的动态测试借助于设计师平台完成。这样,对于第三方测评机构而言,可能会造成测试的不充分、不完全等问题,特别是一些失效性测试、强度测试等无法在设计师平台完成。因此,开发一套具有较强兼容性、通用性的,针对某一类型软件的仿真测试平台,是迫切需要、且具有重要意义的事情。
1 仿真测试平台技术
由于嵌入式系统自身的特点,如实时性,内存不丰富,I/O通道少,开发工具昂贵,并且与硬件紧密相关,CPU种类繁多,其缺陷不像PC软件的缺陷容易修补等等。对嵌入式软件测试与一般软件的测试策略有很大的不同,可以说对嵌入式软件进行测试比对普通软件测试来说要困难。
目前,针对大型系统的软件测试平台多使用于国防、航空航天、汽车工业等系统中。软件测试平台的发展时间并不长,主要集中在军事应用上。美国、欧盟成员国在航空航天、国防上的应用相对来说已经比较成熟,已形成自己完整的一套系统。中国在这方面的发展还不足,尤其是实时软件的测试手段还不能很好地满足可靠性要求。随着国家对军用软件的质量要求越来越严格,开发实时软件的仿真测试平台,具有非常重要的意义。
仿真测试平台与人们平时理解的仿真系统有一定的区别,从结构水平和行为水平两方面考虑,两者的行为等价特性是一致的。但在结合被测对象确定仿真测试平台设计方案时,仿真测试平台注重对行为功能的仿真,对内部结构的相似要求不高,它提供改变参数和激励的能力,提供强大的错误处理能力。
2 平台环境
目前有四种常见的测试嵌入式软件的平台环境:全实物仿真测试环境、全数字仿真测试环境、半实物开环测试环境、半实物闭环测试环境。
(1)全实物仿真测试环境
在全实物仿真运行环境下对被测的嵌入式软件进行测试被称为全实物仿真测试。在这种测试环境中被测软件处于完全真实的运行环境中,直接将目标机(包括嵌入式软件)和其外围设备建立真实的连接,形成闭环进行测试。
全实物仿真测试环境是最逼近真实环境的一种运行环境,即是对整个嵌入式系统进行考察验证的测试。在该运行环境下,是整个嵌入式应用系统进行运行,包括若干研制完成的产品和设备模拟器。全实物仿真测试环境与真实系统有一致的映射关系,如相同的接口,相同的I/O传输格式等。
该测试环境,软件接口测试、实时性测试较真实,但是可控性最弱,不易操作。
(2)全数字仿真环境
嵌入式软件与支持其运行的硬件有着很强的耦合性,而硬件测试环境与软件测试环境相比灵活性差,在故障的产生和过程的记录方面都很困难,全数字仿真测试技术是综合解决嵌入式软件测试中由于嵌入式环境所带来的测试困难的一种方案。
通常全数字仿真测试是在宿主机上进行,如图1所示,可总称为基于宿主机的嵌入式软件测试。基于宿主机的测试是指完全利用宿主机平台上丰富的资源和工具来对嵌入式软件进行测试,不需要依赖目标系统的支持。基于宿主机的测试极大地提高了被测软件执行的可视性和可控性,因此测试过程中能以较少代价、较高的效率发现和定位软件设计中的错误。另外,基于宿主机的测试在完全脱离目标平台的情况下完成对嵌入式软件的测试工作,可以尽早发现软件设计中的错误,避免了在软件集成时才发现和定位问题,从而减少了软件的测试成本、降低了开发风险。
全数字仿真易于快速构建软件仿真测试环境,且不受硬件和外部设备的限制,因此在嵌入式软件开发的早期是很受欢迎的。全数字仿真测试系统一般由一系列工具组成的集合体,包括CPU模拟器、路径记录覆盖率统计、调试、虚拟硬件环境管理、集成界面、测试用例输入接口函数、仿真模型库、虚拟芯片接口函数、虚拟芯片库等功能。即目标机环境、外围仿真环境为全数字型,是一个完整的调试、测试工具,又是一个开发软件仿真测试环境的平台。它提供了被测软件的模拟运行环境,从而可以在宿主机上对被测软件进行全面而灵活的测试。
它通过提供一系列的扩展开发接口(API),允许用户向环境中添加各种虚拟芯片,完成用户应用程序与全数字仿真环境间的通讯、允许用户对全数字仿真环境的执行过程进行控制。全数字仿真环境和虚拟芯片一起完成对嵌入式计算机软件或其他被测的模拟软件外围环境的模拟。
全数字仿真环境应用在软件测试中的最大优点是它的成本低、开发周期短、有效性高、测试可重复。但是它在接口、实时性、数据真实性等方面较弱,部分测试尤其是性能测试无法有效地实施。
(3)半实物开环测试环境
半实物开环测试环境是一种开环的嵌入式软件测试平台。在半实物开环测试中,采用了真实的目标机和外部设备接口等效器,使软件运行有基本完整的硬件环境,但数据的产生仍靠仿真、模拟等手段完成。
半实物开环测试平台由于程序是在真实的目标机中运行,软件运行的硬件环境是真实的,但是由于通过硬件进行数据注入,对边界及特定情况不易考察,白盒测试较困难。
(4)闭环半实物仿真测试环境
在半实物开环测试台基础上加入了数字仿真计算部分形成了闭环环境,测试真实性进一步提高。整个运行环境和真实环境有一个本质的靠近。动态闭环测试主要验证系统的功能和性能。验证各个子系统功能的正确性,系统各个控制回路在稳定状态和边界状态的控制品质,以及系统在外界干扰作用下的稳定性。
闭环半实物仿真测试平台,可以完整的测试软件执行需求功能的完整过程,同时闭环环境使得软件计算结果更真实。但是,由于仿真运行和目标机上应用软件计算需要很好的匹配,测试工具在环境中较难处理,在控制运行、收集信息、注入数据等方面受到一定的局限。
3 嵌入式软件仿真测试平台设计
基于对上述四种仿真测试环境的分析,半实物开环测试环境的通用性较强,因此基于半实物开环测试环境设计嵌入式软件仿真测试系统,简称EASTsys (Embedded Applications Simulation Testing System)。该系统是为测试嵌入式系统而设计的外部激励和测试系统。EASTsys系统通过总线和多种外部I/O向被测系统产生外部激励,驱动目标机运行。EASTsys采用了通用和高可靠性的技术,并结合标准接口进行设计,可以提高嵌入式软件仿真测试系统的通用性、可移植性和保证了平台具有一定的扩展性。EASTsys系统结构如图2所示。
EASTsys系统的接口主要由两类接口,一类为现场总线接口,另一类为系统的载体提供的各类电信号接口。EASTsys系统的设计是采用的现场总线一般为CAN总线或1553B总线,与被测设备接口一致。由于被测设备中嵌入式软件较多,各嵌入式软件载体的电信号接口各不相同,在对外接口设计中需要兼顾各软件。根据各嵌入式软件载体的实际情况,嵌入式软件仿真测试系统的对外接口可进行配置。
3.1 硬件构成
嵌入式软件仿真测试系统的结构由7部分组成,分别为实时调度模块、软件测评控制终端、总线仿真前端、总线监测分析前端、外部信号接口设备、CAN总线电缆、网络支撑设备。
实时调度模块是实时在线测评平台的中心,汇总终端、前端和其它设备的数据信息,进行归档,并向有关设备进行分发。
总线仿真前端和总线监测分析前端均采用基于PXI、PCI总线或其它总线的高可靠性工控机,配置PXI、PCI或其它总线控制器和CAN、1553仿真卡。
外部信号接口设备采用的平台与总线仿真前端相同,采用PXI、PCI或其它总线机箱,并配置PXI、PCI或其它总线系统控制器。根据目前的软件测评对象,外部信号接口设备需要配置的板卡类型有:数字量I/O卡、模拟量I/O卡、定时器、各种串口等。
3.2 软件设计
嵌入式软件仿真测试系统的软件由以下几部分组成,分别为实时调度软件、软件测评控制软件、总线仿真软件和总线监测分析软件、外部信号接口设备控制软件和测试结果分析软件。上述软件采用统一的软件网络接口要求,便于功能的扩展和软件的开发调试。
(1)实时调度软件
通过快速以太网,从前端和外部接口设备接收数据,保存入数据库,同时送软件测评控制终端。实时工作状态下,接收前端和外部接口设备形成的各种数据包,处理后保存入后台数据库,并将上述数据包转发至软件测评控制终端。使用标准的TCP/IP协议与其它计算机通信。
(2)软件测评控制软件
此软件在软件测评控制终端上运行,操作系统为Windows 2000/XP。实时接受实时调度平台传来的各类前端和外部接口设备数据。接收总线监测分析前端发来的总线数据,并分类处理和显示。
(3)总线仿真和总线检测分析软件
此软件运行在总线仿真前端上,操作系统为Windows 2000。按照CAN总线应用层协议的要求,实现对总线上各智能终端的模拟。
(4)外部信号接口设备控制软件
该软件运行在外部信号接口设备上,操作系统为Windows 2000/XP。根据测评对象的不同,对外部信号接口设备进行不同的设置,以完成模拟被测软件外部接口的功能。
(5)测试结果分析软件
该软件在软件测评控制终端上运行,操作系统为Windows 2000/XP。遥控、遥测指令的管理、记录、回放和统计分析。
4 结束语
本文主要介绍了目前通常的嵌入式环境,并进行了比较分析。在此基础上,决定开发EAST系统,该嵌入式软件仿真测试系统的设计充分考虑了现行软件测试工具在软件测试工作中的使用,并结合嵌入式软件测试的一般方式,从实际的测试工作的要求出发;在提高整个系统的通用性和可扩展性同时,保证软件测评平台的实时性和可靠性,可以满足客户对星载软件和其他嵌入式软件测评的需要。
摘要：为实现星务计算机嵌入式软件动态测试,搭建一个半物理的仿真测试平台。分析现有的几种仿真测试平台构建技术,选用其中较合适的一种作为开发基础。对平台中所用到的硬件、软件进行分析,实现平台的可移植性、通用性特性,为该类型的嵌入式软件提供测试环境。
关键词：星务计算机,嵌入式软件,仿真测试平台
参考文献
[1]谈琳,罗永红.实时软件的仿真测试平台的研究[J].计算机仿真,2005,22(1):248.
[2]蔡建平.嵌入式软件测试实用技术[M].清华大学出版社.
仿真测试平台 篇2
用 鬼 燃 宽 费 池 涮 嘣 画(油画) 揣(怀揣)
逛 丢 雌 枪 破 锌 郑 邹 派(派别) 曾(曾孙)
存 跨 秧 晒 惹 君 绉 司 俩(咱俩) 石(石板)
篇 灭 鳃 讲 肠 筋 浊 虐 别(区别) 捂(捂着)
摸 如 梯 训 翁 枚 舜 秦 雨(雨水) 那(口语音)
苗 逼 闯 自 悬 掐 宋 爷 喝(喝水) 冲(酒味很冲)
毒 恩 雄 略 挺 操 枕 榻 熬(熬煎) 钉(钉扣子)
流 荒 二 挥 润 铝痣 供(供给) 挑(挑战) 番(翻两番)
凝 卧 软 票 乖 荫申 便(顺便) 颈(颈椎) 拗(拗不过)
防 阔 全 催 炕 滴涩 阿(阿姨) 否(否定) 扎(扎裤脚)
二、读词语(共20分)(限时3分钟)
小曲儿 英勇 洽谈 抓阄儿 劳动(体力劳动)
哎呀 圈点 拨子 通过 报复
暧袖 缺乏 状况 车站 贫穷
下本儿平原 让位 伺候 迫切
人群 退学 蕴藏 奶水 油层
上座儿 居民 拐弯 日记 现实
劫持 论文 总得 熊猫 你们
徇私 夸奖 配偶 风力 艰苦
标准 革命 损坏 出口 打扰
儿女 洒脱 生产 进项 往还
三、朗读
书，人们称为人类文明的“长生果”。这个比喻，我觉得就我自己说，特别亲切。
像蜂蝶飞过花丛，像泉水流经山谷，我每忆及少年时代，就禁不住涌起视听的愉悦之感。在记忆的心扉中，少年时代的读书生活恰似一幅流光溢彩的.画页，也似一阕跳跃着欢快音符的乐章。
我的故园是浙东南的鱼米之乡。五十年代初，解放了的家乡天地明媚，我这处于海角小镇的毛丫头，心中一片欢悦。我欢悦，是因为那时我已粗识文字，知道爱读书，接触了书，只觉得自己无知而空荡的脑瓜日益充盈起来。
我最早的读物是被孩子们叫做“香烟人”的小画片，一种比火柴盒略大的硬纸片，正面印画，背面印字，是每盒香烟中的附赠物。遇到大人让孩子买烟，这美差往往被男孩抢了去，我们女孩只落了个眼羡的份。集得多了，就开始比赛用手掌刮“香烟人”，看谁刮得远。这时，我就卖力地呐喊助威，为的是最后能在赢家手里饱览那一大叠画片。这些印着《水浒传》《三国演义》《七侠五义》故事的小画片，就是我最早见到的连环画。
开始我看得津津有味，时长日久，就感到不过瘾了。
仿真测试平台 篇3
电子电力仿真设计研究中针对复杂电路的分析设计是在所难免的，计算机仿真软件则是重要的方法与手段。随着社会电子信息技术的不断发展，计算机仿真软件也在不断地更新换代。电子电路仿真设计研究中，应与现代计算机仿真软件相结合，充分利用计算机仿真软件优势，完善电子电路仿真设计研究，从而为电子电路设计研究开拓新的平台。
当今社会电子信息技术不断地发展更新，各种电子设备与计算机的联系愈加紧密，计算机仿真软件的不断发展也使得实际电子电路设计的成本大幅降低，从而实现了电路设计低成本的转变。计算机仿真软件已经成为了电子电路设计的一个不可分割的重要组成部分，计算机仿真技术的出现也是传统的设计方法发生了极大的改变，不在像从前依靠人工计算以及实物试验和调整的方式，从而大幅提高了电子电路仿真设计的效率。在计算机仿真软件的不断发展之下，计算机仿真软件的有点越来越明显，界面更加的直观，操作也变得更加的方便，通过与计算机仿真软件相联系，电子电路仿真设计的效率与质量得到了质的提升，而且为设计者增添了更多的乐趣。
计算机仿真软件简要举例
EWB软件。EWB电子工作平台的器件库中集成电路、门电路等电路芯片等原件的收录非常的丰富，能够满足实验者的正常需求，如果器件库中没有所需原件，还可以进行外部传输，丰富器件库以满足实验者需求。它也能够较为真实的还原实验室桌面的内容，信号发生器、示波器等等的仪表工具在EWB中都可以予以提供。EWB电子工作平台易于掌握，学习方式十分直观，由于是计算机仿真软件，EWB的效率是传统试验方式无法比拟的，若想进行元件的变动，只需在计算机上进行，而不需进行实际操作，这也避免了实际操作中的失误可能对是实验结果产生影响，从而使试验更加准确。在EWB中，加入了虚拟仪器的技术，电子电路仿真设计在实验中与实验室的操作极为相似，实验人员在使用过程中不必更改原有的操作习惯，对使用人员来说极为方便。使用计算机仿真软件也减轻了使用者的体力负担，能够让使用者可以更多的进行设计，从而在正体上促进我国电子电路仿真设计研究发展。
Saber软件。Saber软件的主要面向对象是混合信号，其在于混合信号、混合技术和层次的处理能力极为优秀，Saber软件可仿真的领域也更为宽泛，数字和模拟信号器件、机械、热学、电磁学等诸多领域的器件Saber软件都可以进行仿真设计。在用户使用Saber软件时，可以建立不同的模型库，其模块化的特征，决定了它的灵活性丰富，可以组成特定的设计工具供用户使用，其高度的灵活性也就为使用者提供了更多的可能性，对于复杂任务的完成也就变得更加的高效和流畅。Saber有着极为开放的软件环境，它能够与计算机软件相接口，在一个单一软件无法满足用户需求的情况下依旧可以使用Saber软件进行操作，便可免去到实验室进行低效率的工作，从而使电子电路仿真设计研究的效率极大的加强了，也使使用者的使用体验的到了极大的提升，趣味性更加的丰富，创造力也就随之而来。
计算机仿真软件对于电子电路仿真设计的意义
提升电子电路仿真设计效率。在传统的电路设计中，實验人员需要在实验室中进行操作，将实验台上的仪器进行一一链接，而在计算机仿真软件上，这种麻烦便可以得到避免，计算机仿真软件可以将这些试验中较为耗时但是对实验结果影响极小的因素自行完成，节约了用户花费在此上的大量时间。而且当下计算机仿真软件的准确性极高，不会对实验结果产生影响，不必担心使用计算机仿真软件的准确性。在传统的操作中，一旦出现原件的错误需要更换或是改正时，极为麻烦，耽误了实验人员的大量不必要的时间，而在使用计算机仿真软件时，这种时间便可以得到节省。使用计算机仿真软件时，对于实验人员的体力也得到了节省，能够让用户有着更多的精力投入研究之中，也就可以使电子电路仿真设计效率的到提升。
教学意义。在电子电路仿真设计上，后续力量的发展也是极为有现实意义的，对提升我国电子电路仿真设计可持续性发展有着深远的影响。在电子电路的课程上，理论教学和实验课程是密不可分的，单有理论教育是远远不足的，而在完成了理论教学一段时间之后再进行实验的安排，这时学生对知识的记忆已经开始减少，对所学内容的感性认识也渐渐下降，甚至学习兴趣也渐渐淡化，这对学生的学习是极为不理的。但是使用计算机仿真软件，可以再理论教学的同时引入实验，二者互相不会产生影响，在理论知识传授的同时进行计算机仿真软件实验，这样提升了学生对内容的理解能力，强化了学生的记忆，也对学生的课下学习创造了方便，让学生自学实验成为了可能。在学生对实验有着一定的了解之后再进行实际实验，也不会让学生的动手能力下降，反而提升了学生对于知识的掌握程度，加深了理论理解。
设计研究中计算机仿真软件的应用
在电子电路方面的设计研究之中，更为重要的是理论思路的可行性，而不是实际操作。针对研究人员而言，在有了新的想法和思路的时候，结果只是一个可能，需要实验进行验证，因为想法只是一个雏形，所以在验证的过程中需要不断地更正，往往在一次次的失败和实验之后才能完成研究，可是传统方式将这一过程无限期的拉长了，对于研究人员来说，动手操作能力不是问题，实验结果是更为重要的，可是真正一次次进行实验和更换元件极为费时费力，有的误差甚至会影响实验结果。此时计算机仿真软件的应用很好的解决了这一问题，它的使用能够让用户从繁琐的实验中抽身出来，将更多的精力放在理论研究上，提高了研究效率，在宏观上来说，推动了电子电路仿真设计研究的发展。
仿真测试平台 篇4
未来电网能源的利用是可持续的，主要表现为分布式电源（distributed generator,DG），尤其是可再生能源的大规模并网[1]。传统配电网“被动”的能量管理方式无法对DG规模化接入带来的双向潮流进行有效管控，因此具备组合控制各种分布式能源（可控负荷、储能和需求侧管理等）能力的主动配电网（active distribution network,ADN）应运而生[2,3],ADN的应用大幅提高了配电网对分布式电源的接纳能力[4,5]。
国内外就主动配电网有功控制和无功控制进行了相关研究。文献[6]提出了基于多代理技术的配电网多层控制框架以协调控制多个DG。文献[7]提出了基于三相模型的DG和无功补偿设备的优化控制模型，应对不对称主动配电网的运行要求。完善的监控系统是实现这些控制方法的基础，但系统在设计阶段需要对其逻辑进行验证，在投运前需要对其功能进行测试，因此需要一个测试平台对其进行全面、有效地测试，完善控制策略以及参数设置。
目前，国内外关于测试平台的研究主要集中在配电自动化系统[8]、风机光伏的并网研究[9]和交直流高压输电[10]等方面。文献[11]提出了一种主站和二次同步注入的测试方法，仅在与拟模拟故障有关的配电终端轮换接入少量二次同步注入设备，减少了测试所需测试人员和工作量。文献[12]利用实时数字仿真系统（RTDS）的数模接口建立与外部数字信号处理器（DSP）的通信，实现对最大功率跟踪控制器和并网逆变器控制器的硬件在环测试。实现测试平台的关键在于仿真环境和物理环境的接口设计。文献[13]建立了功率连接型混合仿真系统的接口特性，给出了各种情况下选择接口算法的原则。文献[14]提出了智能电网物理信息安全测试平台的接口实现方式，测试在数据收集、通信和信息共享中的风险。上述文献对配电自动化系统测试的研究主要集中在故障处理方面，而硬件在环仿真的实现大多基于RTDS，由于主动配电网的规模一般较大，如用RTDS实现测试价格十分昂贵。另外，在RTDS中实现各种新能源或柔性负荷的建模工作也较为复杂。在实际应用中主动配电网主站和控制设备的信号多来自配电自动化终端（distribution terminal unit,DTU），但设备间协议种类较多，RTDS自带的输入输出接口进行测试比较困难。所以需要建立一个方便有效、价格较低且可扩展性强的测试平台。
本文主要以主动配电网协调控制技术为例，分析DIgSILENT仿真环境、实际控制设备和主站系统的通信需求，研究主动配电网测试平台的整体架构，提出其接口的实现方式，在不同测试时序和各种典型场景下测试控制设备、主站系统的实际运行性能，并与仿真结果进行对比，验证测试平台的有效性。
1 主动配电网协调控制及其测试需求
主动配电网协调控制在控制区域划分的基础上实现主站系统和终端的信息交互，利用全局优化和区域自治的协调控制，消纳间歇式能源[15]。
主动配电网协调控制方法（见附录A图A1）中，主站是整个配电控制区域的控制中心，全面监测配电网的状态，通过全局优化算法提高长时间运行经济性。分层分布控制器是一个自治区域管理者，接收区域内RTU测量值，利用合理的实时控制策略在2次全局优化的间隙给源网协调控制器发送功率目标值，对区域进行自治管理。源网协调控制器管理同一配电节点（配电房/开闭所/环网柜等）下所有的可控DG以及柔性负荷，接收分层分布控制器的功率目标，并将功率合理分配给可控资源。
单纯的数字仿真仅能对上述控制器的逻辑进行验证，无法完成主站全局优化、负荷预测等高级应用测试以及主站、控制器的联调测试。针对主动配电网协调控制方法，测试平台的需求如下。
1）全面模拟自底向上和自顶向下的信息流。信息流不仅包括开关位置、馈线功率、分布式能源出力等遥信、遥测信息，还包括对可控DG的控制指令和对联络开关的遥控指令，保证数据的多元化。
2）长时间为主站、控制器提供准确稳定的数据，并将控制结果实时反馈。这样能够验证负荷预测、优化程序等高级应用结果的合理性，完善控制器的控制逻辑，对从主站到控制器的整个协调控制过程进行测试。
3）不同的控制器、主站所需信息类型和信息量不同，因此要建立多通道的信息传递路径。每个通道拥有自己的通信协议、信息类型以及数据对应关系，而且控制器和主站的通信配置要与实际现场一致，保证测试可信度。
2 测试平台整体结构设计
结合上述需求，本文建立了基于DIgSILENT的仿真测试平台，整体方案设计如图1所示。测试平台通过接口将仿真信号转换成物理信号，利用以太网传递给主站数据采集与监控（SCADA）系统、分层分布控制器以及源网协调控制器，此过程模拟将DTU、电能质量采集装置和分布式能源通信模块的遥测信息上送，实现对配电网整体运行状态的监视。源网协调控制器、主站的物理控制信息通过接口转换成仿真信号传递给DIgSILENT仿真环境中的可控DG和开关，此过程模拟被控单元的控制过程。
仿真环境、源网协调控制器、分层分布控制器和主站系统构成了一个完整的闭环测试环境，各个组成部分如下。
1)DIgSILENT仿真环境作为实际配电网的替代者，拥有准确的线路和变压器等模型，同时还提供仿真语言（DIgSILENT simulation language,DSL）用于用户自身模型的扩展。对于光伏、储能等分布式能源模型，需要将实际装置抽象成数学模型，利用DSL建立其仿真模型，系统模型参数根据实际系统进行设定，以得到与实际接近的动态响应效果。仿真环境与实际设备通过接口交互量测和控制信息，仿真中的储能根据控制目标进行调节，实现闭环控制，并将储能有功功率、荷电状态（SOC）变化等动态过程绘成曲线供修改完善控制器和主站高级应用。
2）主站系统和控制器是实现主动控制的核心，也是测试平台的主要被测试对象。接口接收遥测信息和发送控制指令，是实现测试平台的关键点，也是连接仿真环境和实际装置的纽带，因此接口的设计尤为重要。
3 测试平台接口设计
从测试平台的整体设计中可以看出，接口是实现DIgSILENT仿真软件、控制器单元和主站系统间的信息交互的关键。DIgSILENT软件提供了过程控制标准（object linking and embedding for process control,OPC）接口用于实时仿真，此时其作为OPC Client与OPC Server相连，因此可设计的接口方式有以下3种。
1）在控制器中建立OPC Server,DIgSILENT作为OPC Client可以直接与其相连，数据交互过程也可直接完成，通信延时为DIgSILENT软件延时、网络延时和OPC Server刷新数据延时。
2）在控制器中建立OPC Client，控制器和DIgSILENT同时作为OPC Client通过第三方的OPC Server进行信息交互。这种方式下DIgSILENT和OPC Server运行在同一台计算机上，他们的通信延时可以忽略。总通信延时即为DIgSILENT软件延时、OPC Server刷新数据延时、网络延时和控制器刷新OPC Client数据延时。
3）在计算机上根据OPC规则，建立一个自定义OPC Client，其与DIgSILENT之间通过OPC Server进行信息交互。通过协议转换将OPC Client数据转换成其他协议类型，实现与控制器通信。这种方式下控制器的通信并没有被OPC接口所束缚，可采用其他通用类型的协议，如IEC 60870-5-104协议（以下简称104协议）和Modbus协议。
一个OPC Server不能直接与另一个OPC Server通信，但一个OPC Server可以与多个OPC Client通信。因此在对多个控制器同时进行测试时，第1种方式无法达到目标。第2种方式可以实现平台对多个控制器的测试，是建立测试平台初期采用的方法。虽然一般主站系统支持OPC采集数据，但控制器是基于嵌入式系统的，在里面建立一个OPC Client的难度很大，且实际现场的控制器并不通过OPC接口进行信息交互，会降低测试可信度。第3种方式具有第2种方式对多个控制器进行测试的优势，且协议转换器可以满足用户对协议进行扩展和修改的需求，其适用性和可扩展性大大提高。值得一提的是，第3种方式可以保证控制器通信模块完全和实际一致，测试的准确度和可信度有了很大提升，因此测试平台采用这种方式。
DIgSILENT,OPC Server,OPC Client以及协议转换器都在同一台计算机上，所以它们之间的通信延时可以忽略。DIgSILENT和OPC Server都可以根据需要定义数据更新速率，这样便可以模拟储能、DTU等实际现场设备的数据更新速率，使平台的测试效果更贴近于实际。
OPC Client与其他协议的转换通过配置文件实现，配置文件要保存OPC Item与104协议信息体地址的对应关系。以104协议和OPC Client间的数据转化为例，配置文件的实现方式如图2所示。
4 测试平台测试实例
4.1 测试算例
将测试平台应用于佛山主动配电网间歇式能源消纳示范工程的萧海线和塘溪线，其中包含峰值功率为2.85MW的光伏发电系统以及由额定容量为0.1MW·h，额定功率为0.5 MW的锂电池（功率型储能）和额定容量为0.75 MW·h，额定功率为0.2MW的铅酸电池（能量型储能）组成的储能系统。算例可以划分为2个自治区域，如图3所示。图中，区域Ⅱ内2个50kW·h的电池定义为功率型1和2,500kW·h的电池定义为能量型。
示范工程中，主站采用智能单粒子优化算法完成全局优化求解[16]，实现全局集中控制。分层分布控制器的区域控制策略采用馈线控制误差（feeder control error,FCE)[17]实现。
式中：Ei为自治区域i的馈线控制误差；ΔPf为变电站母线向馈线注入功率的实际值Pf与全局优化目标值Pf*的偏差；ΔPi为自治区域i等效分布式电源向馈线注入的实际功率值Pi与全局优化目标值Pi*的偏差；ki为自治区域i参与区域自治控制的功率分配系数；j为平衡母线参与协调控制的功率分配系数，一般取0或1。
FCE经过比例—积分（PI）环节得到区域功率调节的目标值，并将这个目标值下发到源网协调控制器。
4.2 测试平台测试时序
主站系统的优化程序每15min滚动优化一次，优化周期可以分为全局优化目标下发阶段和区域自治控制2个阶段，得到的测试平台测试时序如下。
步骤1：主站系统根据当前时刻采集的储能SOC和开关位置信息，结合负荷预测和分布式能源预测结果，计算得到各储能功率的优化目标值，并向控制器下发目标值，此过程所用时间为t1，实际测试发现该过程需要2min。
步骤2：分层分布控制器接收到主站的优化目标后，需先闭锁区域自治控制策略。如不闭锁，新的优化目标与旧的优化目标之间的差异会造成储能功率的振荡，不利于实际运行。闭锁的过程中，分层分布控制器向源网协调控制器下发储能功率目标值，并等待储能调节到目标值。t2为转发目标值的延时。
步骤3：源网协调控制器接收到分层分布控制器的目标值后，下发到被控的储能，储能调节到目标值所用时间为t3。t2+t3即为分层分布控制器需要闭锁的时间长度，测试过程中发现这个值大约为20s。
步骤4:20s闭锁时间到，将区域自治控制策略解锁，分层分布控制器根据实际功率和目标功率之间的偏差进行增量型PI控制，增量的上下限为源网协调控制传回的最大可充放电能力。
步骤5：源网协调控制器根据增量控制储能，并计算储能最大可充放电能力，将其上传。
步骤6：直到下次优化计算启动前，不断重复步骤4和步骤5，实现区域自治闭环调节过程。
测试平台的整体时序如附录A图A2所示。
4.3 单独控制器测试
根据4.1节中FCE的定义，针对馈线协调模式[15]进行测试，Pf*,Pi*以及ki的值如表1所示。
场景1：区域外部负荷和光伏波动。10s时塘溪线其他负荷增大0.15MW,70s时其他负荷减小0.15MW，得到的测试结果和相应的仿真结果如图4所示。
图4中，测试结果和仿真结果的趋势大致相同。10s时负荷突变使萧海线和塘溪线的FCE值都有一个突变，通过FCE进行PI调节各储能出力，使FCE的值降为0，完成一次闭环调节过程。70s时的波动过程正好与之相反。以仿真结果为例，10s时萧海线的储能总出力升高0.055 MW，塘溪线的储能升高0.021 MW，而负荷波动了0.15 MW，所以平衡母线承担了0.074 MW，区域外部的负荷平衡母线承担一半，各区域按功率分配系数承担功率波动，满足FCE的控制逻辑。
从测试结果和仿真结果的对比可得：(1)由于测试平台存在通信延时，闭环控制的时间常数大于仿真，所以测试的曲线滞后于仿真曲线；(2)测试中发现如果协议程序发送控制指令太快，会导致平台丢包率升高，影响平台的正常运作，实际运行中也会出现这种情况，故限制了发送控制指令的频率，而且由于通信的延时，测试的曲线会呈现阶梯式变化；(3)实际控制中设置了±0.01的FCE的调节死区，避免过于频繁地调节储能设备，以此提高储能的使用寿命，因此塘溪线的FCE值、储能值和仿真结果都存在一定的差距。
场景2：不同通信延时下的测试对比。通信延时模拟数字环境和控制器之间的信息交换速率对控制效果的影响，分别对通信延时0.1s,1s和5s做了测试。测试中PI控制环节的参数保持不变。10s时萧海线负荷增大0.225 MW,70s时萧海线负荷减小0.225 MW，得到的测试结果和相应的仿真结果对比如附录A图A3所示。
从不同通信延时对控制效果影响的结果对比可知：(1)随着通信延时加长，曲线的滞后程度越大，每个阶梯的停留时间也相应变长，FCE调整所需的时间就更长；(2)通信延时越长，调整过程中的波动就越大。如果5s通信延时用相同的PI参数，则调节过程不收敛，储能振荡严重，不利于系统稳定和储能寿命。
通过调节测试的通信延时，可以得到一个与实际系统运行环境相近的环境，再根据需要调整PI参数，优化被测设备的运行特性，为设备的投运提供良好条件。修改5s通信延时PI环节参数，令比例系数为0.5，积分常数为0.07，则可以得到一个稳定的调节过程，但储能出力的波动在较短通信延时更大，调整时间更长，如附录A图A4所示。
4.4 主站和控制器联合测试
场景1：测试时序影响对比。
在利用测试平台联合测试的过程中发现控制时序的重要性，并做了相应改进。此场景针对优化目标下发时有无闭锁分层分布控制器的区域自治控制逻辑在测试平台中分别做了测试，测试结果如附录A图A5所示。图中，优化目标下发时，虽然闭锁控制和无闭锁控制控制误差的稳态值基本一致，但闭锁控制的控制误差波动明显小于无闭锁控制。从储能出力来看，无闭锁控制导致了储能充放电状态的改变，而闭锁控制使储能保持充电状态，说明闭锁控制可以大幅度减小储能的出力波动，有效提高储能电池寿命。
场景2：通道障碍测试。
通道障碍测试主要用于分析当主站和分层分布控制器之间、2个控制器之间以及源网协调控制器与仿真环境之间通道出现障碍时协调控制结果受到的影响。由于后2种通道障碍对协调控制影响类似，故本文选取源网协调控制器与仿真环境通信障碍的场景进行测试。测试场景中的负荷、光伏和优化目标的变化均一致，第2次优化结果在第15min下发，令通道在第10min发生障碍，在第16min恢复正常。3种情况的测试结果如图5所示。
将通道障碍测试结果对比可知：(1)源网协调控制器与仿真通道障碍带来的影响最大，导致储能出力在通信恢复后产生一个阶跃变化，接近其最大出力，这是由于通道障碍之后控制器中的PI环节依旧在运行，导致误差不断积累，使PI输出不断增大，故通信恢复时产生较大的波动，在实际运行中可以采用闭锁PI控制的方法避免这种情况发生；(2)主站和分层分布控制器之间通道障碍导致全局优化结果无法下发，在第2个优化目标到来之后，系统依旧按照原优化目标进行控制，当通信恢复后，由于第2个优化目标已存入协议实时库，故该目标能够通过协议正常下发，但当前状态与此优化目标之间存在一定的差距，故引起了一个较小的功率波动；(3)从通信恢复到遥测、遥调指令的正常发送需要一定时间，测试中约为1min，受协议和协议底层协议重新建立连接所需时间影响。
场景3：长时间运行测试。
主站和控制器的长时间运行测试主要针对从主站优化到区域自治的全过程，即负荷长时间变化时，基于预测数据，主站的优化程序计算出相应的计划曲线，下发优化目标值给下层的控制器，在2次优化的间隙，由控制器实现区域的自治控制。
测试场景时长4h，仿真环境的负荷变化采用实际中的某一天负荷变化值。2次优化的间隙为15min，馈线出口功率和区域功率的目标值均由优化计算得到，协调系数由优化前各储能的SOC值决定，调节能力越强的区域相应的协调系数也越大。测试4h的结果如图6所示。
分析图6可得：(1)从FCE曲线可以看出，长时间运行主站和控制器能把FCE控制在-0.01到0.01的死区之间，与控制逻辑相符，而且由于采用4.2节中的控制时序，控制器和主站之间有较好的时序配合，每次功率目标的变化没有引起FCE大的波动；(2)从储能出力来看，每当FCE不在死区内，则通过功率型储能进行调节，所以功率型储能的波动性较大。能量型储能的出力与负荷变化很接近，这是由于算例中负荷线性变化，通过滤波算法，长时间的负荷变化都转移到能量型储能上；(3)无控制的净负荷采自图3中A7点，即负荷和光伏的净负荷变化，控制后的净负荷采自A5点，即负荷、光伏和储能的净负荷变化，对比发现控制之后负荷的波动性降低，4h内的负荷峰谷差也相应减小，验证了分层控制方法是有效的；(4)从储能的SOC来看，SOC值均没有越上下限，说明优化程序对储能的利用是合理的。
5 结语
主动配电网的发展依赖于完善的主动控制系统。为了对主站和控制器进行联合测试，本文从主动配电网协调控制的测试需求出发，提出了一种基于DIgSILENT的测试平台设计方案，详细论述了仿真环境和物理环境的接口实现方法，确定了测试系统的测试时序，有效减小了优化目标切换时的功率波动。基于协议转换的接口设计令测试平台可以适应不同场合的测试需求。
与目前常用的基于RTDS的测试方法相比，本文提出的测试平台以低价格实现了对拥有较多元件的主动配电网的联调测试，并在测试过程中优化了控制器参数，完善了控制策略，为主站和控制器的实际投运做了充分准备。
电商平台测试总结 篇5
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半潜平台推进器安装虚拟仿真 篇6
关键词：虚拟仿真 半潜平台推进器安装工艺 DELMIA
0 引言
深海半潜式钻井平台的建造是船舶与海工制造业中生产难度大、技术复杂度高的工程。在满足平台使用要求的前提下，缩短平台的建造周期、提高平台建造质量、降低建造成本，是一个值得长期研究的课题。半潜平台的建造，对一些关键设备的安装工作具有很高的技术要求，如何利用船厂有限的场地及施工设备资源安装好各种动力、导航、通信、控制等设备，保证其有机地集成并有效地运行，花费了设计人员大量的心血，却常常得不到非常满意的结果[1]。本文针对半潜平台推进器安装这一典型工程案例，使用达索公司的DELMIA软件对安装工艺过程进行仿真验证，为采用虚拟仿真技术解决船海工业问题进行了实践。
1 虚拟装配仿真
1.1虚拟装配的定义
虚拟装配是指在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配[5]，原理是按照给定的装配工艺顺序，表1 针对半潜平台推进器安装所建立的CATIA模型
1.2虚拟装配仿真工作流程
虚拟装配工作流程主要包括虚拟装配建模、虚拟装配工艺通过对产品零部件的空间位置进行连续操作来达到预期的装配效果，同时将连续操作过程以动画的形式演示出来[6]。
1..2虚拟装配仿真工作流程
虚拟装配工作流程主要包括虚拟装配建模、虚拟装配工艺规划以及仿真结果输出三个阶段。首先在三维建模软件中创建几何实体模型，将几何实体模型通过模型数据转换导入到虚拟装配系统中 [1]。在虚拟装配系统中，对零部件模型、施工设备模型、场地环境模型等进行初始定位，完成仿真场景的创建。在无初始干涉的情况下，对装配零部件进行装配序列规划和装配路径规划，在路径规划过程中进行动态碰撞干涉检查，如发现干涉情况，及时修改装配路径或装配序列，直至工艺规划完成。工艺规划完成后，系统会对虚拟装配序列和装配路径进行记录，在此基础上，输出最后的虚拟装配仿真动画及干涉检测报告等文件。
2 基于CATIA的虚拟建模
虚拟建模需要基于一定的软件平台，来对半潜平台进行实物建模，最常用的3D建模软件是CATIA.CATIA是法国达索(Dassault Systems)公司研究开发的三维交互式工程设计、数控加工软件。CATIA软件以其强大的设计功能在飞机、汽车、船舶、电子设备等领域享有很高的声誉[2]。
针对半潜平台推进器安装工艺，把所需建立的模型分为装配零部件模型、施工设备模型、场地环境模型三类。装配零部件模型和施工设备模型使用CATIA的草图编辑模块、零件设计模块和创成式外形设计模块建立，场地环境模型使用AEC工厂模块的Plant layout模块建立。
3 基于DELMIA的半潜平台推进器虚拟安装
在CATIA建模的基础上，运用仿真软件对模型进行仿真。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是法国达索系统（DASSAULT SYSTEMS）公司研发的数字化设计制造软件，它为制造企业提供了从产品设计、工艺规划到生产过程的全生命周期精益设计制造解决方案[3]，，并且可以良好地实现与CATIA的数据互通。DELMIA的DPM Assembly Process Simulation模块将创建虚拟装配场景、装配序列规划、装配路径规划、碰撞干涉检测、仿真视频输出等功能整合在一个完整的系统内，提供给设计人员一个统一的、点到点的作业环境。
3.1 创建仿真场景
进行安装工艺规划，首先要将所建立的零部件模型、设备模型和场地资源模型导入到虚拟装配环境中，进行设备资源的初始布置，完成虚拟装配场景的创建，这是进行后续安装工艺仿真的基础。进入DELMIA的DPM模块，首先使用Insert Resource的命令，导入场地资源模型。在本文中，将设备和场地资源都定义为资源模型，即把履带式吊机、驳船、推进器支架、导向钩、锚链提升器、海洋、海床模型导入，再通过移动和旋转等方式对模型在环境中的位置进行初步定位。使用Insert Product的命令，以同样的方式把半潜平台、推进器、传动轴、锚链管、锚链管封堵、基座保护盖、推进器基座、推进器密封盖、推进器基座密封盖、推进器马达、推进器刹车盘等零部件模型导入。图2为DELMIA环境下的半潜平台推进器安装仿真场景。
3.2 半潜平台推进器虚拟安装序列规划
3.2.1 分析安装序列
把半潜平台推进器安装工艺过程分为前期准备、安装过程和后续工作三个部分。分析三部分的工艺操作,可得到安装序列如下：
（1)前期准备
半潜平台下水前，半潜平台浮筒推进器舱室内的锚链管、推进器基座、基座密封盖等必须安装妥当。使用拆卸法，根据自顶向下的原则，可得到拆卸序列为：锚链管—基座密封盖—推进器基座，根据拆卸与装配互逆可得装配序列为：推进器基座—基座密封盖—锚链管。
(2)安装过程
半潜平台推进器安装的主要工序为：推进器下水—半潜平台移位—移除基座保护盖—移除锚链管封堵—锚链下水—导向钩连接到推进器—提升推进器—锚链复位。
(3)安装检查
推进器的安装需要进行安装干涉检查，以防止出现安装器件或者设备与周围环境发生碰撞。
(4)后续工作
在推进器安装就位后，需要封堵锚链管、移除基座密封盖和推进器密封盖，再安装安装传动轴、刹车盘和推进器马达，所以后续工作的工序为：封堵锚链管—移除基座密封盖—移除推进器密封盖—安装传动轴—安装刹车盘—安装推进器马达。
3.2.2 装配序列规划
nlc202309031012
在分析得到半潜平台推进器安装序列后，使用DELMIA的DPM模块的PERT技术和GANT图对安装序列进行编辑和控制。
PERT（Project Evaluation and Review Technique）是用于分析制定计划并对计划予以评价的技术。PERT图是一种箭线形式的流程图，PERT图直观的表达出项目各事件的先后顺序。根据前面分析所得到的半潜平台推进器安装工序，使用DELMIA中的PERT Chart工具对推进器安装过程中的各道工序进行设计编排。
甘特图（Gantt Chart）是展现项目各事件开展进度的工具。DELMIA中的甘特图是DPM的活动时间安排表，从甘特图上可以看到每一道工序所占用的时间及所参与的零件和资源。图3为半潜平台推进器安装序列规划完成的PERT图和GANT图。
3.3 半潜平台推进器装配路径规划
装配路径规划作为装配序列规划的后续步骤，是装配工艺规划的一个关键环节，是连接装配工艺规划和装配仿真验证的桥梁。在DELMIA的DPM模块中，按照装配顺序，逐个定义半潜平台推进器安装过程各参与部件的装配路径。在装配过程中，需要使用履带式吊机对推进器进行吊装。为了实现吊装过程的模拟仿真，可使用DELMIA的Device Building模块对履带式吊机各零部件间的运动关系进行定义。在安装路径规划过程中，开启DELMIA的碰撞检测功能，当出现碰撞情况时，系统自动提出警告，以红色高亮显示出碰撞区域，根据碰撞显示结果对零件装配路径或装配序列进行调整，直至干涉消除。图4为半潜平台推进器安装路径规划完成图。
4 装配干涉检查和仿真结果输出
在半潜平台推进器安装工艺规划完成后，可以输出安装工艺过程仿真视频和碰撞干涉报告。DELMIA软件自动地将虚拟场景捕捉成图像文件，然后将每一个图像文件作为一帧添加到“.avi”文件中就形成了仿真视频文件，后期还可使用视频编辑软件（如绘声绘影）对仿真视频进行完善[4]。半潜平台推进器安装工艺仿真视频和干涉检测报告对生产实施具有重要的意义，生产人员可通过视频对装配过程有一个直观的认识，规避生产中一些不安全的操作行为，通过干涉报告可提醒操作人员注意装配过程中容易产生碰撞干涉的环节及装配到目标位置后零部件间的配合情况。如图5所示为所完成的半潜平台推进器安装工艺仿真视频（包括前期准备、安装过程、后续工作三部分）和推进器安装完成图。
5 结论
本文结合半潜平台推进器安装这一实际工程案例，分析推进器安装序列及装配路径规程。选择达索公司的CATIA软件建立半潜平台推进器安装所需的零部件模型、施工设备模型和场地环境模型，并将模型导入到DELMIA软件中进行装配工艺规划，最后输出装配仿真视频和碰撞干涉检测报告等工艺文件，输出文件对实际工程施工具有一定的指导作用。
参考文献
[1]杨润党，谢子明.虚拟仿真技术在船舶建造过程中的应用概述[J].中国造船工程学会2008年MIS/S&A学术交流会论文集
[2]罗天龙.基于CATIA/CAA平台的虚拟装配信息模型研究与应用.南京航空航天大学硕士学位论文.2005年
[3]邢莉.基于DELMIA的虚拟装配技术研究及其在LED分拣机中的应用.浙江工业大学硕士学位论文.2008年
[4]王树青，李天侠，成斌.DELMIA在海洋钻井平台建造中的应用[J].船舶工程.2009年12月第6期.P61-63
[5]姚竞争，韩端锋，李健, 基于 CATIA 系统的虚拟装配仿真研究[J],船舶工程，2011年第一期，P49-P52
[6]张晓伟,原思聪,林艳,耿素花, 基于DELMIA的船体虚拟装配过程仿真研究[J], 起重运输机械,2010年第2期,P65-P67
仿真测试平台 篇7
随着核心规范的完成以及核心技术的进一步完善,TD - LTE测试标准规范的逐步深入, 作为LTE商用之前的最终验证,测试环节是必不可少的。 原始的测试平台及方案已很难满足测试过程中信号的随机变化, 所以搭建新的协议一致性测试平台以及设计新的测试方案是非常必要的。 目前在协议一致性测试方面的研究主要有:简单分析基于TTCN3 的TD-LTE协议一致性测试平台的设计与实现方案,搭建软件测试架构[3]; 为重选搭建的测试平台单一的用户设备与基站的具体通信过程, 对无线环境的模拟并未考虑在内,采用的是理想环境[4];搭建了基于单系统一致性测试框架, 但是设备具体自动模拟方面不够完善[5]。 本文首先搭建了基于重选的新协议一致性测试框架, 然后在TTCN3 上编写测试套, 通过对测试套的运行来实现重选测试方案的可行性与搭建平台的优越性。
1 测试平台的搭建
基于TTCN -3 的TD -LTE系统终端RRM小区重选过程平台, 主要由TTCN-3 软件的PC( 用于代替协议栈层三的功能)、用于模拟网络端小区的测试仪表1 和仪表2 分别代表小区1 和小区2 、 开关箱( 主要由TTCN - 3 软件的PC来控制开关箱内部的转接)、信道模拟设备(主要用于模拟信道环境,如增加噪声等;模拟信号在信道传输过程中的合路分路等)以及被测体(本文中被测体为用户设备手机)组成。 具体整体测试框架如图1 所示。 PC和测试仪表之间通过面向非连接的UDP端口通信,而测试仪表和终端则通过射频口(很好地模拟无线环境) 进行通信。 PC部分安装了TTCN3 软件,测试仪表由主控部分和协议栈层2(分组汇聚协议层、无线链路控制层以及媒体接入层)和层1(物理层)组成。UDP通信原理如图2 所示。
在TTCN-3 的测试套中定义了MTC和PTC。 并在相关成分中定义用于发送和接收消息的端口。 然后将需要进行信息交互的PTC之间的端口以及PTC和MTC之间的端口进行连接, 映射需要与被测体(SUT) 通信的PTC端口和MTC端口到SYSTEM成分类型中的相关端口。最后将SYSTEM成分类型中的虚拟端口通过适配层的配置全部统一映射到PC上的物理端口, 并实现由TTCN - 3 核心语言到仪表中开发所使用的C语言的转换。 最后将仪表1(模拟小区1)、仪表2(模拟小区2)、以及信道模拟仪器和被测终端连接到开关箱上,整个测试系统就搭建成功了。 其中安装有TTCN3 的PC机作为整个模拟场景的总控中心, 负责控制模拟小区1 的仪表1 、 小区2 的仪表2 、 以及开关箱内开关的切换工作。
本平台在搭建过程中,各个模块通过测试类ID可以实现测试系统自动化,不需要人为控制信息收发过程,并且平台在主控(MC) 的控制之下, 可以实现相同系统之间不同小区的切换、重选、测量等RRC诸多过程。 在信道模拟过程中加入信道无线环境模拟设备, 能够很好地模拟无线环境,使得模拟效果与真实环境非常接近。
2 测试方案
2 . 1 测试场景描述
平台搭建之后就可以编写测试代码, 本次模拟的是针对E-UTRAN TDD-TDD的同频小区重选。 首先终端( UE ) 最初在小区1 上驻留, 然后通过PC ( 装有TTCN3 软件的PC) 的控制来改变两个小区功率的值。 当UE检测到小区2 的信号功率比小区质量好时, 重选到小区2 上,UE在小区2 上驻留一段时间之后, 再通过改变小区1 与小区2 的功率, 使得小区1 的功率优于小区2 且满足重选的条件, 从而使UE检测到小区1 , 而且信号质量满足UE驻留的条件, 并重新驻留到小区1 上。
2 . 2 重选相关内容
2 . 2 . 1 RRC重选过程
在LTE系统中, 对于空闲状态终端的移动性完全是由非接入层控制,而不由接入层控制。 当终端驻留到某个服务小区后即可根据网络下发的测量报告( 可以周期触发也可以事件触发)对服务小区以及邻小区进行测量,UE会把测量结果上报给网络,网络根据测量结果分析决定小区是否进行重选。 具体评估准则参照R准则[6,7]。
2 . 2 . 2 测试目的
情景1 终端在E-UTRA RRC空闲状态下, 一个小区除了不满足R准则外,满足所有的重选条件。 因此不能重选到目的小区。
情景2 终端在E-UTRA RRC空闲状态下, 网络端接收到终端用户设备发来的测量报告,并且根据重选的准则来进行判决,终端满足重选到优先级更高的服务小区,重选成功。
2 . 2 . 3 测试环境配置
系统模拟器(SS) 配置: 配置小区1 为正常的服务小区。
终端(UE) 配置: 测试例开始前, 保证终端在小区1中处于已注册的空闲空闲模式, 即状态2A( 即经注册进入idle状态并且测试模式激活)。
2 . 3 测试过程描述
本测试包含了一个激活的小区和一个相邻小区。 要求UE在一个E-UTRA TDD载波上监测相邻小区。 测试中具有3 个连续的时间段, 并各自具有T1、T2 和T3 的持续时间。 只有小区1 在测试之前就已经通过UE鉴定。 小区1 和小区2 属于不同的跟踪区。 此外,UE还没有向网络注册包含小区2 的跟踪区。 在接下来的测试过程中,UE响应代表为了发送RRC连接请求消息进行跟踪区更新过程,UE开始在PRACH上发送前导, 向网络发起随机接入,具体测试步骤详细描述如图3 所示。
( 1 ) 确定UE处于状态2A ( 指的是UE开机接收基站已发送的系统信息并向网络成功注册且测试模式激活)。 设置小区2 的物理小区标识为小区2 初始物理小区标识。
( 2 ) 在T1 时间段内设置小区功率等参数( 此次设置功率参数不满足重选的条件,即R准则)。 即2.2.2 节中描述的情景1。
( 3 ) 由于步骤( 2 ) 中设置的功率等参数不满足重选的条件。 所以若T1 超时时,从T1 到T2 时间内网络应该改变功率设置,UE可以监测到小区且满足重选的条件。
( 4 ) 网络等待来自UE的随机接入请求信息, 以执行小区重选过程, 重选到一个新的可检测的小区, 即为小区2。
( 5 ) 从时间T2 开始, 在T2 持续时间的34 s内, 如果UE响应了新的可检测小区( 即小区2 ) , 即为重选到新检测的小区2 成功。 即2.2.2 章节中描述的情景2。
( 6 ) 如果UE在时间T2 内重选到小区2 , 在重选之后或者T2 超时时,继续改变小区1 与小区2 的功率,使得小区2 上的功率变差, 而小区1 上的功率则变得良好,从而为UE重选回小区1 作准备。
( 7 ) 当UE监测到小区1 的功率良好之后, 网络等待来自UE的随机接入请求信息来执行小区重选过程, 重选到一个已经检测的小区,即为小区1。
( 8 ) 从时间T3 开始, 在T3 持续时间的8 s之内, 如果UE响应了已检测的小区( 即小区1 ) , 即为重选到已检测的小区1 成功。
2 . 4 测试函数的编写
f_RRM422_Set Cell Power ( ) ; 函数的主要作用是改变在重选过程中的基站功率,使得UE可以监测小区参考信号功率的变化, 并在条件满足的情况下进行重选到其他小区。
f_RRM_LTE_BS_Config (Test ID); 函数的作用主要是发送测试例ID, 使得各个模拟仪表时间上的先后顺序与实际相符,实现各部分的自动配置而不用人为去控制。
f_RRM_Set Physicaly Cell Identity(p_physicalycellidentity);函数的主要作用是改变在重选过程中物理小区的标识,以便在重选过程中可以很好地识别重选小区。
f_RRM_PRACHChannel Transmited();函数的主要作用是当满足重选条件时,UE向基站发起随机接入的请求,改变所驻留的小区,达到重选的目的。
3 测试结果分析
根据协议中规定RRC连接重选一致性测试的流程,在TTworkbench平台上运行测试套生成GFT图, 如图4所示。 观察可知终端重选过程一致性测试套的实现, 完全满足协议一致性测试协议规范。 另外, 通过TTworkbench中的TT - man平台运行TTCN - 3 测试套生成可执行的.clf文件, 产生如图5 所示重选过程的TTCN-3 测试例仿真图。 图5 位于测试套中的主测试组件定义了基于消息的虚拟发送端口,对于模拟小区1 与小区2 的仪表也同样定义了虚拟端口,且相应端口与测试套中的主测试组件的端口进行虚拟映射。 测试例中的消息通过MTC对应的虚拟端口经过系统端口发往模拟小区1 仪表与模拟小区2 仪表,模拟小区1 与小区2 的模拟仪将所有的发送数据经过逻辑复用到某个端口,再通过UDP端口发送到测试仪表来控制测试仪表的运行。 以射频信号通过射频线导入到开关箱,开关箱经过对信号进行加噪声以及分波合波处理,最后通过射频口发送到用户设备端进行接收, 在此过程中携带控制信息, 例如让用户设备执行重选、切换或进行其他操作。 LTE_BTS1 是模拟TD - LTE小区1 仪表的发送接收端口, LTE_BTS2 是模拟TD - LTE小区2 仪表的发送接收端口, CTL是UE最终驻留的模拟小区仪表的端口, 在UE成功注册到某个小区时将给网络回复注册成功的消息。
通过研究可以看到,TTCN -3 的仿真图更加形象直观并且可以严格控制时间,使得时间与执行过程一一对应,并且在测试过程中通过测试例ID实现自动控制,不需要人为来改变某些内容与控制某些参数。 log(用于标记重要内容的函数)函数的引用使得图中重要内容更加形象、 过程更加具体, 并且易于检查在代码编写过程中的重要错误, 从而使得系统精度更高, 这样可将复杂问题模块化,便于解决复杂问题,从而有利于系统的完善。
由于4G技术的飞速发展以及5G技术的萌生, 用TTCN3 软件平台来构建测试套在今后的协议一致性测试中,TTCN3 将会发挥更大的作用。 本文以TD-LTE系统一致性测试需求为前提,设计了新的协议一致性测试平台, 并对测试生成的GFT图以及通过.clf文件生成的测试例仿真图进行比较,证明了测试平台在搭建方面的优越性。 该方法完善了TD-LTE系统协议一致性测试技术理论并且为以后的研究提供了可行的方案。
摘要：鉴于以往协议一致性测试平台整体框架的不完善,首先搭建了新的协议一致性测试平台,然后通过TTCN-3设计了关于重选测试套的新方案来进行仿真。通过将仿真图与原来GFT图比较得出了测试方案的优越性以及所搭建平台的合理性与可行性。
仿真测试平台 篇8
大型电力企业会议电视系统一般覆盖范围广、结构复杂,涉及到多套应用系统以及多个品牌会议电视设备的集成。随着视频会议需求的不断增加,视频会议系统的深化应用和业务功能的不断扩展,系统的升级、改造相应增多,对系统验证测试、仿真运行的需求不断增加。当前大型会议电视系统在系统版本升级、故障测试、应急机制等方面仍存在以下问题。
1)随着系统的深入推进和应用扩展,版本升级的整体交付及验证管理亟待加强。目前会议管理系统功能升级时,均直接从开发环境迁移至生产环境,由于生产环境与开发环境在硬件部署、系统节点规模等方面存在差距,因此存在升级不成功后系统回退的情况。为了不影响生产环境的正常运行,需要单独搭建仿真平台,每次系统升级先在仿真环境中操作,待验证通过后再移植至生产环境中。
2)大型会议电视系统涉及到多套应用系统以及多品牌会议电视设备的集成,给系统的验证测试增加了难度。当前电力企业还不具备和生产环境模拟程度较高的测试环境,系统故障测试也无法较好地还原问题发生的场景,亟需提高测试环境的仿真性能。
3)作为会议预约与硬件资源的中间环节,会议管理系统负责统一管理电力企业各种会议电视平台资源,统一实施资源分配、会议控制、动态监控等功能,系统的安全稳定运行直接影响到公司各类会议能否正常召开。目前会议管理系统虽然是群集部署,但运行期间出现过因系统故障导致数据库集群服务失效的问题,因此仍需进一步研究加强会议管理系统应急机制。
1 系统现状
会议电视系统主要由多点控制单元(Multi Control Unit,MCU)、会议电视终端、通道网络设备3 部分组成。大型会议电视系统通常采取MCU资源池分布部署方式,通过多台MCU的资源共享,实现资源的统一调配、管理和互备,并利用会议管理系统解决并满足会议电视系统统一管理、资源集约化控制和调度、会议自助化召开等需求[1]。此外,会议电视系统还涉及协同办公系统、统一权限管理平台等外围集成系统。
1.1 会议管理系统
会议管理系统采取集中统一部署,按照应用服务区、数据库服务区、接口服务区进行设计,在每个服务区部署相应的软硬件设备,以满足业务运行要求。会议管理系统部署结构如图1 所示。
1)接口服务区:部署会议管理系统会议组织相关接口、终端设备监控等接口。配置2 台接口服务器,并采用集群方式避免单点故障导致的服务中断,提高服务质量。接口服务器跨越公司信息内网及数据网视频VPN。
2)应用服务区:用于部署会议管理系统应用程序,并对外提供Web服务,响应用户的服务请求。为了保证系统的可靠性和稳定性,采用应用服务器集群Cluster模式避免单点故障导致的服务中断,由负载均衡设备实现负载均衡,缩短响应时间,提高服务质量。
3)数据服务区:用于部署数据库软件,作为会议管理系统的后台数据库服务器,为前台应用提供数据读取、存储的服务。根据可靠性设计原则,采用Oracle数据库RAC技术架构,实现数据库的高可用。
1.2 集成系统
会议管理系统并不是单一运行的系统,与外部系统间具有集成关系。主要涉及与会议电视设备网管系统、协同办公系统、统一权限管理平台、软视频系统等的集成。
各系统间集成实现技术包括界面集成、应用集成2 种方式。为了将各个业务系统的操作界面整合到一个页面中,以方便用户使用,提升操作效率,可通过界面集成的方式实现;对于系统间信息交互及数据共享涉及到少量准实时数据传输、消息传输,可通过应用集成方式实现。会议管理系统集成关系如图2 所示。
1)会议电视设备网管系统:会议管理系统主要利用了网管系统提供的Web Service接口,该接口提供了基于MCU、终端产品的音视频会议的管理和控制功能。其中MCU是网管系统控制会议所依赖的核心硬件设备,网管系统中的会场(终端)管理、会议模板管理、会议调度和会议控制等功能是通过MCU完成的。
2)协同办公系统:协同办公系统接口主要用于实现会议管理系统与协同办公系统之间的数据交互,协同办公系统向会议管理系统同步会议室档案信息,发起会议预约申请,进行会议审批,以及会议资源(预定、预占)申请,取消会议,变更会议等。
3)软视频系统:会议管理系统创建的会议要求软视频终端入会时,需要软视频系统提供接口供会议管理系统创建会议,达到软视频终端参会的目的。
4)统一权限管理平台:通过统一权限平台提供的接口同步会议管理系统用户信息数据、用户权限数据,并实现用户权限管理。
2 会议电视系统仿真模拟
大型会议电视系统覆盖范围广,涉及上千台会议电视终端,并采用MCU资源池分布部署方式。为了模拟可以召开大容量会议的会议电视系统,通常有2 种方式,一种是参考开源Open H.323 协议栈开发性能测试软件,其功能包括:终端注册及呼叫,音视频媒体流收发检测及多实例管理。性能测试软件可以看作不包含音视频编解码功能的软终端。并通过虚拟IP技术,将每个软终端绑定到一个虚拟IP上,实现在一台服务器上运行多个软终端(见图3)。
另一种方案是采用软终端模拟会议电视终端参会,软终端可安装在普通计算机上使用,不需要额外设备投资,即可通过以太网、3G、Wi-Fi连接Switch Center(SC)服务器接入视频会议系统和加入视频会议,同时支持发起点对点视音频呼叫。
鉴于开发性能测试软件存在一定难度,且目前市场上暂无成熟的商用产品,为了模拟大容量会议,故采用免费软终端产品TE Desktop模拟音视频码流收发。 由于TE Desktop仅支持SIP协议,采用此方案时,网闸(Gate Keeper,GK)系统需升级为同时支持GK和SIP Server的SC。如果会议终端仅以H.323 协议注册到SC上,则必须通过同时以SIP和H.323 协议注册到SC上的MCU才能和TE Desktop互通。基于此方案进行大容量会议测试时,TE Desktop通过SIP协议入会,其他会议终端通过H.323 协议入会。包含软终端的视频会议组网结构如图4 所示。
考虑到仿真环境主要用于系统功能测试,若不模拟MCU资源调度策略,配置一台与生产环境相同型号及容量的MCU即可满足仿真平台需要。此外,还需配置若干台与生产环境相同型号的一体化会议终端用于系统组会。为了节约硬件资源,软终端建议采用虚拟机部署方式,每台虚拟机部署一套TE Desktop。按每台虚拟机CPU占用1 核,内存6G计算,若采用4 路8 核,内存64G的PC服务器,则每台服务器可部署10 台虚拟机。模拟100 台软终端,共需10 台该配置的服务器。
3 会议管理系统仿真平台设计
会议电视系统仿真平台主要用于系统升级测试和功能验证,平时独立于生产环境单独运行。当会议管理系统生产环境出现系统故障、群集服务无法快速切换等情况,系统无法正常提供服务时,仿真平台也可作为会议管理系统生产环境的灾备系统。
3.1 灾备体系指标设计
根据重要性、实时性、影响范围、服务紧急程度等因素,电力企业通常将业务系统分为A+、A、B、C 4 个等级,并按照不同等级的业务系统需求确定不同的恢复点目标(Recovery Point Object,RPO)和恢复时间目标(Recovery Time Object,RTO)。RPO与RTO是衡量灾备数据的2 个重要指标,RPO与RTO越小,灾备数据的状态越好,表示系统的可用性就越高[2]。RPO是指为了支持各部门业务运作,系统及生产数据应恢复到怎样的程度,也就是允许数据丢失的时间[3]。RTO是信息系统“支持的业务功能从灾难造成的不正常状态恢复到可接受状态”所需时间,其中包括备份数据恢复到可用状态所需时间、数据处理切换时间、备用网络切换时间等,该指标用以衡量灾备方案的业务恢复能力[4]。
数据灾备的根本目的是在一定的资金和技术基础上,实现尽量小的RTO、RPO。当各种故障发生时,可以快速进行系统和数据恢复,使得系统继续提供数据服务和业务服务[5]。
会议管理系统属于管理类系统,主要为公司内视频会议提供信息化支撑。根据业务系统灾备需求,确定灾备指标RPO值≤ 8 h,RTO值≤ 24 h。因会议管理系统数据量不大,业务等级类似协同办公系统的任务协作,同归为C级别系统。综合考虑投入成本,建议采用存储虚拟化复制技术,实现业务数据的实时复制。为实现数据同步,仿真平台同时配置HP XP24000 和HDS通用存储平台(Universal Storage Platform,USP)V存储。在生产中心,根据现有的高端存储类型(HP或HDS),使用现有高端存储的存储虚拟化复制技术,并引入Oracle Golden Gate Veridata数据验证技术[6,7],校验两端数据库数据是否一致,保证实时数据的准确性、完整性和持续可用性[8,9,10]。
3.2 仿真平台架构设计
3.2.1 存储资源配置设计
仿真平台需要配置存储资源,存储空间大小与生产端相同,并配置存储虚拟化HDS通用复制软件复制许可。配置日志卷组用于通用复制软件复制,在生产端和仿真平台存储上划分独立的Raid组用于日志卷。仿真平台的存储空间规划参照生产端的空间规划设计,存储性能相较生产端可降级,采用Raid5,验证数据通过快照方式产生。
3.2.2 服务器资源配置设计
考虑到仿真测试的需要,会议管理系统仿真平台采用与生产环境相同数量的硬件设备,使用一台负载均衡器实现会管系统应用服务器和接口服务器的负载均衡。网管系统、网闸系统、统一权限平台、软视频系统和协同办公系统均采用单机部署,满足功能测试的需求。从投资回报率的角度出发,仿真平台服务器的处理能力可以比生产中心低一些,例如数据库服务器的CPU和内存数量按照生产数据库的50% 来配置[11]。
3.2.3 网络资源配置设计
同生产系统一致,仿真平台也跨越数据网视频VPN及信息内网,但处于与生产系统不同的子网段。生产端到灾备端采用双FCo IP(基于IP的光纤通道)设备单链路连接模式。考虑系统数据量不大,因此数据复制链路建议与其他业务系统复制链路公用,可复用FCo IP链路连接用于数据复制。会议管理系统仿真平台逻辑架构如图5 所示。
在生产中心发生灾难的情况下,仿真平台需要接管应用系统,因此需要与生产中心保持应用同步。应用同步的内容包括应用程序包、应用驱动包及应用配置参数文件[12]。仿真平台建成后,生产中心的版本更新、补丁升级和配置修改等变更将同步在仿真平台实施,实现生产中心和仿真平台应用版本的同步。并通过重新部署应用的方式,实现仿真平台应用的初始同步。
3.2.4 DNS配置改造
在正常运行状态下,用户通过域名系统(Domain Name System,DNS)访问生产环境的会议管理系统,以及其他外围接口系统。仿真平台建设前各应用均将地址写在配置文件中,但在应用级灾备阶段,系统切换到仿真平台后相应的业务地址发生变化,将造成部分业务无法正常使用。因此,需要对运行与统一权限平台、网管系统、协同办公系统等关键外围系统间接口的服务器进行改造,将IP地址访问方式更改为域名解析方式。
4 结语
为满足大型会议电视系统验证测试及仿真运行的需求,本文从大型电力企业会议电视系统的现状入手,提出了开发性能测试软件及软终端模拟2 种搭建会议电视系统仿真环境的方案,重点从存储资源配置、服务器资源配置、网络资源配置及DNS配置改造4 个方面详细阐述了会议管理系统应用级灾备建设方案,解决了会议管理系统生产环境发生灾难时,应用无法快速恢复的问题。当灾难发生后,可将会议管理系统从生产中心切换至仿真平台运行,有效提升了会议电视系统的安全防御水平。
摘要：随着大型会议电视系统的深化应用及其业务功能的不断扩展,系统的升级、改造相应增多,需要研究建立会议电视系统仿真平台,满足系统验证测试、仿真运行的需求。文章首先分析了电力企业会议电视系统的现状,提出了开发性能测试软件及软终端模拟2种搭建会议电视系统仿真测试环境的方案,重点介绍了会议管理系统仿真平台架构模型,以及存储、服务器、网络资源规划及DNS配置改造等关键技术点。经实施验证,当灾难发生时,可实现会议管理系统仿真平台快速接管故障系统,确保公司会议管理系统的连续运行。
关键词：仿真平台,会议管理系统,灾备,配置
参考文献
[1]王浩.国家电网公司电视会议系统推广使用项目可行性研究报告[R].2013.
[2]聂庆节,缪骞云,马悦皎.一种GoldenGate灾备系统中灾备数据快速验证方法[J].电力信息化,2013,11(1):60-65.NIE Qing-jie,MIAO Qian-yun,MA Yue-jiao.A rapid data validation method for the goldengate disaster recovery system[J].Electric Power Information Technology,2013,11(1):60-65.
[3]吴其斌,周春磊,刘延东,等.信息系统灾难备份技术综述[J].国土资源信息化,2011(1):12-15.WU Qi-bin,ZHOU Chun-lei,LIU Yan-dong,et al.Review of disaster backup and recovery technology for information systems[J].Land and Resources Informatization,2011(1):12-15.
[4]于宁斌.IBM UNIX&Linux:AIX 5L系统管理技术[M].北京:电子工业出版社,2005.
[5]张艳,李舟军,何德全.灾难备份和恢复技术的现状与发展[J].计算机工程与科学,2005,27(2):107-110.ZHANG Yan,LI Zhou-jun,HE De-quan.The status and development of disaster recovery technology[J].Computer Engineering and Science,2005,27(2):107-110.
[6]Oracle.Oracle goldengate veridata administration guide version3.0[R].2011.
[7]Oracle.Oracle goldengate veridata v3.0 release notes[R].2011.
[8]盛玮琦.基于Oracle Dataguard的数据灾备技术[J].信息系统工程,2010(6):42,77.SHENG Wei-qi.Data disaster recovery technology on oracle dataguard[J].Information System Engineering,2010(6):42,77.
[9]岳峻松,张磊,聂庆节,等.灾备数据恢复的验证方法[J].电力信息化,2013,11(2):28-31.YUE Jun-song,ZHANG Lei,NIE Qing-jie,et al.Discussion of verification methods for disaster recovery data[J].Electric Power Information Technology,2013,11(2):28-31.
[10]SARIN S.Oracle数据库管理员技术指南[M].钟鸣,孙登峰,译.北京:机械工业出版社,2001.
[11]安徽南瑞继远软件有限公司.国家电网公司一体化电视会议管理系统概要设计[R].2013.
仿真测试平台 篇9
关键词：卫星导航,灵敏度,定位时间,定位精度
0 引 言
近年来,卫星导航产品的应用日益广泛,通常是以PND(个人导航设备)等独立导航系统而大量出现,目前伴随车载系统与导航系统的结合使用,产品应用日益广泛,同时,卫星导航已纳入新兴产业“十二五”规划,随着未来北斗、伽利略、GLONASS等其他卫星导航系统的投入使用,基于卫星导航的应用将获得广泛和长足发展[1,2,3]。
与卫星导航产品技术发展相匹配的产品测试技术也在不断进步,针对卫星导航产品的整体质量进行测试,特别是针对接收机的性能进行评价,以及导航软件与接收机硬件相配合的符合性测试,是目前该类产品测试的主要方面。但是,由于导航产品定位测试受多种因素影响,而实际路测又无法保证测试信号是受控的、可重复的,无法达到客观性、公平性和一致性的要求,而卫星模拟仿真可以合成多通道信号,可以灵活设置时间、仿真大气效应和车辆运动状态,并且可以对功率变化及误差效应进行控制,所以目前在实验室中基于仿真模拟器对卫星导航产品进行测试是较为普遍的方法。
本文在卫星模拟仿真环境下,针对卫星导航产品的主要性能项目的测试技术展开研究,得到基于卫星模拟仿真平台的导航产品测试项目及测试方法。
1 测试技术的研究
基于卫星模拟仿真平台的导航产品测试技术研究的关键是确定测试项目、研制测试场景及提出测试方法,技术路线图如图1所示。
通过将信号采集到的数据编码生成测试场景,利用场景对导航产品性能进行测试。基于卫星模拟仿真平台的导航产品测试项目包括灵敏度测试、定位时间测试、定位精度测试和综合性能测试。
1.1 灵敏度测试
高灵敏度的导航产品接收机在室内或者其他信号较弱的环境下仍然能实现定位和追踪,因此灵敏度成为评价导航产品接收机性能的重要指标之一。目前灵敏度可以分为跟踪灵敏度和捕获灵敏度,导航产品接收机完成捕获所需要的最低信号强度为捕获灵敏度,在捕获之后能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信号强度为跟踪灵敏度[4,5]。
由于灵敏度测试需要准确控制卫星信号发射功率,因此针对捕获灵敏度和追踪灵敏度的测试需要完全在模拟仿真环境下进行。
1.1.1 捕获灵敏度测试
在仿真平台环境下,捕获灵敏度的测试需实现卫星模拟器信号输出功率由一个较低的值逐渐增加,直到导航产品接收机完成捕获为止,通常在静态测试场景中设置功率初始值为-160 dBm。
1.1.2 跟踪灵敏度测试
在仿真平台环境下,跟踪灵敏度的测试需实现逐渐降低卫星模拟器信号输出功率,直到导航产品接收机无法实现捕获为止。通常在静态测试场景中设置功率初始值为-120 dBm,以保证导航产品接收机处于捕获状态。
灵敏度的测试需要实现对信号强度的准确控制,因此,灵敏度测试中输出功率的增加或者降低,应尽量符合产品性能的输出要求,以0.5 dB或1 dB的速率为宜。
1.2 首次定位时间测试
首次定位时间是指导航产品接收机第一次输出PVT(位置、速度、时间)的时间,目前对于首次定位时间的测试主要包括冷启动首次定位时间、温启动首次定位时间和热启动首次定位时间[6]。
1.2.1 冷启动首次定位时间
冷启动首次定位时间定义为导航产品接收机从开启电源到第一次获得有效导航数据的时间。导航产品接收机需要满足以下要求:时间未知;历书和星历未知;位置未知。冷启动首次定位时间主要用于测试导航产品接收机初次使用、电池耗尽或长期未使用的状态下实现定位的快慢程度。
在仿真平台环境下,设置卫星模拟器发射一个测试场景A的卫星信号,在导航产品接收机完全定位至少12.5 min之后关闭导航产品接收机,同时更换卫星模拟器测试场景至B,重新启动导航产品接收机,记录第一次输出有效导航数据的时间。为保证导航产品接收机冷启动,可保证测试场景A与测试场景B满足1 000 km以上距离,以实现前提条件。
1.2.2 温启动首次定位时间
温启动首次定位时间定义为导航产品接收机从开启电源到第一次获得有效导航数据的时间,导航产品接收机需要满足以下要求:时间可知;历书可知;星历未知;距离上次定位在100 km以上。温启动首次定位时间主要用于测试导航产品接收机在距离上次定位时间超过2 h后启动,实现定位的快慢程度。
在仿真平台环境下,设置卫星模拟器发射一个测试场景A的卫星信号,在导航产品接收机完全定位至少12.5 min之后关闭导航产品接收机,同时更换卫星模拟器测试场景至B,开启导航产品接收机,记录第一次输出有效导航数据的时间。为保证导航产品接收机温启动,可保证测试场景A与测试场景B满足100 km以上距离,以实现前提条件。
1.2.3 热启动首次定位时间
热启动首次定位时间定义为导航产品接收机从开启电源到第一次获得有效导航数据的时间,导航产品接收机需要满足以下要求:时间可知;历书可知;星历可知;距离上次定位在100 km以内。热启动首次定位时间主要用于测试导航产品接收机在距离上次定位时间小于2 h后启动,例如定位后重新启动,实现定位的快慢程度。
在仿真平台环境下进行热启动首次定位时间的测试不需要清空导航产品接收机的接收数据,不需要进行测试场景的变换,只需在将导航产品接收机成功捕获卫星信号至少12.5 min后重新启动,计算从重新启动到定位的时间即为热启动首次定位时间。
1.2.4 重捕获时间
重捕获时间是导航产品接收机完全丢失所有信号之后再次捕获到有效导航数据的时间。该项目主要测试导航产品接收机在丢失信号后重新捕获信号的能力,主要应用场景为汽车通过较长隧道丢失卫星信号,在驶出隧道后需要能够快速捕获到卫星信号,以保证行驶正确。
在仿真平台环境下,首先使得导航产品接收机完全接受到全部的卫星信号,然后一次性关闭所有卫星信号,直到导航产品接收机完全失去卫星信号,此时重新打开所有卫星信号并恢复到正常接收水平,当导航产品接收机重新捕获到信号并输出PVT时计时结束,此时间为重捕获时间。
1.3 定位精度测试
1.3.1 静态定位精度
静态定位精度是导航产品接收机对于一个已知位置测量的准确程度。在仿真平台环境下,使用卫星模拟器模拟一个静态场景信号,保持输出功率在-120～-130 dBm之间,使导航产品接收机实现定位,并记录位置数据,通常需要至少记录10 000个位置数据点[7,8,9,10]。
1.3.2 动态定位精度
动态定位精度是导航产品接收机在运动过程中进行位置测量的准确程度。在仿真平台环境下,使用卫星模拟器模拟一个动态场景信号,保持输出功率在-120～-130 dBm之间,使导航产品接收机实现定位,并记录位置数据,通常需要至少记录10 000个位置数据点。
1.4 综合性能测试
综合测试导航产品接收机在不同环境下的综合导航性能,该部分测试场景中需包含多径、卫星遮挡和隧道等多重复杂环境。
2 结 语
基于卫星模拟仿真平台的导航产品测试,通过保证测试环境的一致性,实现测试过程的客观性和测试结果的准确性。测试项目和测试方法的提出对导航产品接收机性能进行质量评价提供了统一的、有效的途径。卫星导航产品的质量控制离不开从技术到管理各个层面的努力,就其质量现状而言,只有规范产品的检测方法,加强企业的质量意识,才能够形成一种有效的质量控制方法,从而更好地为企业产品把关,为消费者利益护航。
参考文献
[1]李丽.GPS在车辆定位系统中的应用[J].高师理科学刊,2006(3):46-49.
[2]曹晓航.GPS车载导航系统技术趋势浅析[J].现代测绘,2006(1):14-17.
[3]罗建政.汽车GPS导航技术及产业前瞻[J].现代商业,2008(36):174.
[4]莫建文.基于随机共振的高灵敏度GPS信号捕获算法[J].系统工程与电子技术,2011(4):838-841.
[5]蔡昌听.高灵敏度GPS技术的研究进展[J].全球定位系统,2006(2):1-4.
[6]工业和信息化部.GB/T19392-2003汽车GPS导航系统通用规范[S].北京:中国标准出版社,2003.
[7]李建征.浅谈GPS定位精度检测方法[J].科技致富向导,2011(15):251.
[8]程新文.手持式GPS定位精度研究[J].测试通报,2004(9):20-22.
[9]何其畏.GPS定位精度的提高及其应用[J].微计算机信息,2006,12(z5):132-133.
[10]李国防.手持GPS定位精度测试及其在矿产勘查中的应用[J].矿产勘查,2010(4):380-384.
仿真测试平台 篇10
RTEMS[1]是80年代美国研制的军用实时操作系统且被运用于导弹控制系统。1994年源码开放后,多被应用于卫星探测系统、武器控制系统和工业中控系统。因此一般运用RTEMS系统的领域都对系统可靠性和实时性有很严格的要求,然而RTEMS在真实环境下测试难度和风险都很大。由Fabrice Bellard主要编写的一套二进制指令动态翻译器QEMU[2],是一款跨平台、仿真速度快、开源并且支持多种CPU架构的虚拟软件。
1仿真测试平台设计
RTEMS多应用于一些要求质量和可靠性很高的领域,并且其使用的硬件和仪器都十分精密和昂贵,有的甚至需要保密,所以直接在目标环境下运行和测试RTEMS不是特别合适的选择。嵌入式仿真测试可以构建一个不需要真实目标机参与的测试环境,利用QEMU模拟真实的嵌入式系统、CPU架构和外围设备等,从而建立RTEMS仿真测试环境。
与其他嵌入式测试不同,基于RTEMS仿真测试是在同一宿主机下搭建测试环境,可以是Windows平台或者Linux平台。本文研究的是Windows平台下,通过全数字仿真测试策略完成对RTEMS嵌入式软件的黑盒测试。如图1所示,QEMU模拟出指定的CPU架构和I/O,并且不需要修改和特殊编译的RTEMS应用程序就直接能运行在虚拟目标机上。测试代理上解析扩展的Python实时测试脚本,通过外围激励相关技术和重定向读写技术[3],完成开环测试、闭环测试、混合测试以及多路并发测试4种外围激励模式,从而达到对RTEMS嵌入式软件自动、实时、非侵入性的黑盒测试。
面对复杂而繁多的嵌入式硬件接口,如果靠修改QEMU源码来修改需要的I/O和外围设备效率很低,另外,为了保证RTEMS嵌入式软件的高可靠性和鲁棒性,通过设计SystemC下的虚拟I/O仿真模块[4],从而方便并且灵活地进行黑盒测试和故障注入测试,方便地收集RTEMS在正常和异常情况下的测试数据。
测试代理是衔接上层用户UI接口和下层测试实施接口的测试执行管理器,根据QEMU特性,测试代理与QEMU上的Monitor进行通信。由于测试代理内各个模块之间的数据需要频繁交换,保证测试代理的高效性、数据精准及整个系统各模块间无误的工作,基于C++面向对象程序设计,设计了仿真代理模块数据传输类,对各个模块间的数据进行包装,保证数据传输时协调和准确[5]。
2仿真测试控制
仿真平台控制模块是黑盒测试当中最基本、也是最重要的一个部分,它负责连接虚拟环境,加载相关参数操作,在测试过程中负责与QEMU Monitor交互通信,控制QEMU的启动、停止和挂起,并且可以从QEMU Monitor中读取虚拟环境运行状态。相关参数操作环节主要是启动环境参数配置,其中包括虚拟目标机IP地址、文件系统类型、测试代理工作端口号、RTEMS的elf 二进制文件映像绝对地址和外围设备参数等。仿真平台控制视图如图2所示。
Python[6]是一种解释型、面向对象、动态语义、语法优美、跨平台的开源脚本语言。结合QEMU黑盒测试的特点,使用C或C++对其核心命令集和数据集进行扩展。通过上述激励方式介绍,Python的扩展[7]需要与仿真激励控制的数据保持同步,包括仿真时钟标识、仿真激励方式和仿真I/O标识等,同时,指令集的扩展包括激励控制、数据收集和生成xml测试报告等。
3外围设备仿真
QEMU自身提供的仿真I/O外围设备少而简单,而RTEMS使用的都是复杂或者在测试过程中需要修改的外围设备。如果通过修改QEMU的硬件抽象层源代码来实现仿真I/O等外围设备功能,不仅开发效率低耦合度高,而且系统可扩展性和可复用性也很差,所以使用SystemC仿真外围虚拟设备。SystemC是一种非常著名的系统级描述语言,QEMU和SystemC之间的通信机制可以分为分布式系统和单一系统[8] 2种。本文是在同一系统平台下进行黑盒仿真测试, QEMU与SystemC的通信机制主要通过Socket API实现。嵌入式仿真测试重点在于激励的注入、采集和虚拟I/O外围设备,SystemC不像其他硬件仿真语言,它可以提供多种抽象层次的仿真,包括寄存器传输层和功能参数层。对于黑盒仿真测试只关注虚拟I/O的功能参数层就够了,不需要其精确的行为描述,所以SystemC非常适合黑盒仿真测试虚拟I/O编写。通过修改虚拟的I/O设备运行状态、功能和参数,可以快速地进行激励控制,同时,还可以方便地进行故障注入测试。QEMU本身没有包含任何与SystemC通信的接口,通过Socket APIs生成TLM(Transaction Level Modeling)[9]通道连接QEMU和SystemC,如图3所示。
外围激励是驱动黑盒测试重要部分,外围仿真激励主要分为2种:向虚拟CPU发送外部中断和向虚拟I/O端口发送信号。RTEMS是实时操作系统,激励的注入应考虑到逻辑、时序和实时问题,为了尽可能地满足仿真激励注入的正确和有效,保证仿真系统和宿主机平台数据一致性和实时性,设计了以CPU滴答时钟为基础的仿真时钟(Simulation Clock,ST)[10]。仿真时钟频率(Simulate Timer Frequency,STF)与计数初值之间的关系为:
STF=输入时钟频率/计数初值。
这样做也是为了方便在今后工作中需要对RTEMS应用性能评估和基准测试起到铺垫作用。ST仿真时钟有5元组:ST{STI(仿真时钟标记),SF(仿真频率),SL(仿真激励发射器),SII(仿真I/O标记),SSU(仿真激励更新)}。仿真时钟工作模式如图4所示。
4外围激励注入
设计了4种激励模式:开环激励模式、闭环激励模式、混合外围激励模式和多路并发激励模式。其中开环激励模式较为简单,闭环激励模式较为复杂,混合外围激励和多路并发是建立在开环和闭环之上的。
更新的激励种子来自于仿真模型的激励计算器,仿真模型可以是开发人员根据实际项目定制的各种模型,也可以是由第三方提供的如事件模型、中断模型、重力模型或运动模型等等[11]。将第一轮产生的激励反馈逻辑写入激励控制器计算出下一轮的激励种子,根据仿真时钟的属性再次加载注入到指定I/O里,直到仿真模型激励计算器计算结束,退出闭环激励模型。多路闭环外围激励模型如图5所示。
5结束语
本文实现了基于虚拟机QEMU搭建RTEMS系统仿真平台,使测试用例通过测试代理模块将外围激励注入,从而驱动测试执行,并通过重定向端口来收集测试数据。在取得一定成果的同时,还存在很多工作需要改进和完成,测试代理内的数据交换频繁,需要一个实时、准确并且与仿真平台同步的数据传输协议,同时需要优化仿真I/O外围设备性能。为了尽可能地达到与真实环境一致的条件,准备基于RTEMS应用进行性能基准测试,一是使仿真环境接近真实环境,二是可以采集RTEMS应用性能测试数据以备分析。
摘要：多处理系统实时内核(Real Time Executive for Multiprocessor Systems,RTEMS)多应用于航空和武器控制系统。通过虚拟化技术设计了QEMU虚拟机下仿真RTEMS嵌入式操作系统,同时使用Socket API生成TLM通信信道连接SystemC进行虚拟I/O设备仿真,测试代理控制和驱动测试,使测试在早期阶段就可以进行,让潜在的缺陷和问题尽早地暴露出来,增强系统的安全性和可靠性。
关键词：RTEMS,QEMU,测试代理,SystemC
参考文献
[1]BRUNO B,JOSEPH S.Embedded System Design[M].Germany:Springer Berlin Heidelberg,2005.258-286.
[2]DANIEL B.QEMU:A Multihost,Multitarget Emulator[J].Specialized Systems Consultants,2006,6(145):145-150.
[3]王轶辰,刘斌.嵌入式软件仿真测试环境接口通讯协议研究[J].计算机工程与设计,2005,26(2):451-453.
[4]冯志华,陈曦,高社生.一种异构多核片上系统的SystemC系统级综合方法[J].系统工程与电子技术,2010,32(11):2 484-2 489.
[5]韦工.嵌入式仿真测试系统设计与实现[J].船舶电子工程,2004,24(6):103-106.
[6]陈儒.Python源码分析[M].北京:电子工业出版社,2008:23-96.
[7]蒋崇武,刘斌,王轶辰,等.基于Python的实时嵌入式软件测试脚本[J].计算机工程,2009,35(15):64-67.
[8]MONTON,PORTERO,MORENO,et al.Mixed SW/Sys-temC SoC emulation framework[C]∥International Sym-posium on Industrial Electronics,2007:2 338-2 341.
[9]CHEN T,GUO T,MING C.A Fast Cycle-AccurateInstruction Set Simulator Based on QEMU and SystemCfor SoC Development[J].Journal of System Architecture,2012,58(3):1 033-1 038.
[10]李兴玮,张卫华,潘玉林.通用计算机实时仿真技术[J].国防科技大学学报,2005,27(2):75-79.
仿真测试平台 篇11
摘 要：火电机组的控制系统是电厂实现自动化控制的关键所在，控制系统的优劣决定了自动化水平面的高低。本文从实际应用的角度阐述了使用MATLAB及SIMULINK工具箱设计自动控制回路的实施方法，充分说明了计算机仿真技术的发展为控制系统的设计与分析提供了越来越便利的条件，控制系统及控制对象等建模工作可以做得更加精准和实用。
关键词：MATLAB；SIMULINK；自动控制；仿真
1 概述
随着电力事业的不断发展，电网的稳定性变得越来越重要，因而，对火电机组的自动控制系统的要求越来越高。电网公司对火电机组的负荷升降速率、一次调频等指标提出了越来越高的要求。但由于很多电厂的自动控制回路设计不合理或者因为机组经过检修后工况变化造成控制参数不匹配等原因，导致控制效果很差，以致于经常被电网公司考核。因此，重新对电厂的控制回路进行设计及优化显得尤为重要。
经过多年的研究，我们掌握了一些利用MATLAB及SIMULINK工具箱设计自动控制回路的方法，方便实用且投运后的控制效果很好。
2 MATLAB仿真平台设计自动控制系统概述
2.1 利用MATLAB平台开发的优化软件
经过近年来的MATLAB仿真设计和现场实际测试，我们成功地开发了多个自动优化控制回路软件。在这些成型的自动优化控制回路软件基础上可以根据不同现场的不同机组进行参数微调即可应用，极大地方便了自动优化调试工作。目前，已开发的自动优化控制回路软件包括：主汽温优化软件、协调控制系统优化软件、凝结水节流优化软件等。这些优化软件按照不同机组类型和不同机组容量分别进行了建模和仿真，具有适用性强、操作方便的特点。
2.2 优化软件在MATLAB中的使用方法
对已开发的自动优化控制回路优化软件使用的方法比较简单，按照如下步骤进行操作：
①在WINDOWS环境中，双击MATLABR2012b图标，运行MATLAB。
②MATLABR2012b运行后出现主界面。
③在快捷工具栏“Current Folder（当前文件夹）”中，选择“Browse for Folder（浏览文件夹）”，选择已编制好的“优化软件文件夹”。
④在MATLAB环境中“Command Windows（命令窗）”内输入，“优化软件名”后按“Enter”键运行，即可弹出对应优化软件名功能的仿真界面。
⑤这些软件是基于MATLAB中SIMULINK环境开发的。仿真功能的基本界面为SIMULINK界面。因此这些软件的所有操作均符合MATLAB中SIMULINK环境下的基本操作。
⑥这些软件涉及SIMULINK基本设置为“Simulation->Configuration Parameters”，如图1所示，其中包括：“Start time（开始时间）”，“Stop time（结束时间）”，“Max step size（最大步距）”，“Min step size（最小步距）”。
⑦“Start time（开始时间）”和“Stop time（结束时间）”决定了仿真时间，开始时间一般从0秒开始，结束时间需要观察系统仿真过程是否结束。协调控制系统优化软件仿真时Stop time要设置得长一点，其他可以短一点。
⑧“Max step size（最大步距）”和“Min step size（最小步距）”一般和机组DCS中控制器的执行周期相同，例如控制器的执行周期为500ms，则可以分别设置0.5和0.25。
⑨开始仿真。单击工具栏中“Start simulation”。
3 MATLAB仿真平台设计自动控制回路的实际应用
为了设计更实用的自动控制回路，我们采集了大量机组运行的实际数据进行分析，通过机组现场实际历史数据建立控制对象的数学模型，并根据数学模型设置控制器闭环控制系统的参数。
在主汽温控制系统进行控制回路设计时，我们对导前区和惰性区的控制对象模型和控制器模型都进行了搭建。图2是实际主汽温变化值曲线与导前汽温变化值经过惰性区对象模型后曲线对比的仿真软件，该软件仿真的目的是验证主汽温惰性区数学模型的准确性。主汽温和导前汽温的数据均为机组实际数据导出后整理的标准格式数据。
图3中紫色为实际主汽温变化值曲线，黄色为导前汽温变化值经过惰性区对象模型后曲线。由图3可以看出两条曲线的相位和幅值很接近，说明惰性区对象模型建立的较为准确。如果为了对象模型更准确，我们可以继续调整惰性区的时间常数T和对象增益K。图3中时间常数T和对象增益K分别为30和1，可以分别单独改变其中一个，然后进行仿真曲线对比，曲线形态越接近，说明时间常数T和对象增益K越准确，然后适当修正控制回路参数，这样取得的控制效果会更好。
在协调控制系统进行控制回路优化设计时，我们对汽机、锅炉的对象模型、汽机主控模型、锅炉主控模型都进行了搭建。图4为通过某电厂现场数据建立的协调控制系统对象模型及控制模型，并根据对象模型配置控制器参数，在进行了MATLAB仿真后仿真效果良好。实际应用中，我们把仿真控制回路移植到现场DCS或PLC逻辑中，逻辑组态和PID参数基本上可以参照仿真模型。
4 仿真优化软件投入实际运行后的效果分析
目前，我们对不同容量的汽包炉和直流炉的主汽温模型、协调控制系统模型都进行了搭建。仿真模型中的逻辑组态和PID参数都可以直接移植到现场DCS或PLC逻辑中，实际控制效果非常好。图5是某电厂660MW超临界机组采用MATLAB仿真平台设计的自动控制回路后主要运行参数曲线。
图5中关键技术指标为：
①负荷变化范围：475MW-585MW，即110MW，第一阶段；585MW-550MW，即35MW，第二阶段。
②负荷变化速率：13.2MW/min，即2%Pe/min。
③最大负荷偏差：±4MW。
④最大压力偏差：±0.8MPa。
⑤最大中间点焓偏差：±80kJ/kg。
自动控制指标良好。最大压力偏差点和最大中间点焓偏差点出现在第一阶段负荷扰动尚未完全稳定而开始第二阶段负荷扰动时。两项控制作用相互叠加，对机组和控制系统性能是一种严峻的考验。
5 结束语
基于MATLAB仿真平台设计自动控制回路是目前自动控制系统优化的新思路，但在今后的应用会越来越多。随着现代控制理论以及更为复杂的控制算法的应用，借助MATLAB辅助设计自动控制回路更具有快速性和通用性的优点。
参考文献：
[1]刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]刘卫国.科学计算与MATLAB语言[M].北京：中国铁道出版社，2000.
[3]田亮.单元机组简化非线性动态模型[D].保定：华北电力大学，2005.
作者简介：
杨伴龙（1978—），男，工程师，工学学士，北京源深节能技术有限责任公司科技分公司任职，主要研究方向：工程过程建模与优化、智能优化理论及应用。
鲁艳丽（1981—），女，工程师，工学学士，从事火电机组热控检修及调试工作。
李振华（1978—），男，高级工程师，硕士，从事火电机组热控管理及调试工作。
赵民政（1981—），男，工程师，硕士，从事火电机组热控管理及调试工作。
仿真测试平台 篇12
双光子吸收是一种重要的三阶非线性光学效应,是材料长波吸收短波发射的过程[1]。长波吸收使得入射光在材料表层的损耗较小,可穿透表层,深入到介质内部,提高吸收效率。对于激光工作介质,双光子吸收效应也可以有效拓展材料的泵浦波长范围。目前常用来研究双光子吸收的实验方法有:Z-scan法、双光子诱导荧光法[2],双光子瞬态吸收光谱法[2]等。双光子诱导荧光法虽然准确度很高,但难以测出非荧光材料的双光子吸收截面,且它必须首先测出样品的荧光量子效率,并且其测量值的准确度很大程度上依赖于所选择的标准样品,因此实验过程较为复杂,极大地限制了该种方法的实际应用。双光子瞬态吸收光谱法由泵浦探测瞬态吸收光谱法发展而来,虽然具有时间分辨能力,但其测试双光子吸收截面精度不高,且实验操作较为复杂。尤其是在研究双光子吸收效应的过程中通常存在多种非线性光学效应,这给测试测量带来了一定困难。1989年Sheik-Bahae[3]等人提出的Z-scan法是一种单光束测试材料三阶非线性极化率的技术,具有装置简单,灵敏度高,并能同时测量三阶非线性极化率的实部和虚部,因此在实践中获得了广泛的应用。目前对Z扫描方法的研究主要集中于实验研究,理论仿真工作相对较少。由于理论仿真可以获得有关实验参数与实验结果的规律,有效提高实验工作效率。本文基于数值仿真平台,利用虚拟仪器技术对利用Z-scan方法测试双光子吸收截面的实验进行理论仿真,获得了满足薄样品近似条件的开孔Z-scan实验系统参数选择范围及实验参数对测试结果的影响。
1 Z-scan理论
测量材料的双光子吸收系数时,采用的是开孔Z-scan技术,根据Z-scan技术原理[1,4,5,6,7],对于瞬时高斯脉冲,在薄样品近似的条件下,非线性吸收介质的归一化光强透过率可以表示为:
其中,
Z0表示光束的瑞利长度,k=2π/λ表示波矢,ω0表示高斯光束的束腰半径,L表示样品介质的长度,α表示线性吸收系数,β为双光吸收系数。当|q0(Z,0)|<1时,即满足薄样品近似的条件下,归一化透过率可以用式(2)的形式表示,以便于数值计算:
实验中,待测样品沿着光传播的方向,从-Z往+Z方向移动,探测器记录下样品处于不同位置时的透射光强,从而得到归一化光强透过率和Z轴位置之间的关系曲线。利用(2)式对测得的实验数据进行数值拟合,就可得到双光子吸收系数,并可求得双光子吸收截面。
用(2)式对实验中获得的随输入光强变化的非线性透过率的数据进行拟合,可以求得非线性介质的双光子吸收系数β。此外,如果知道吸收介质分子的摩尔浓度C(单位为mol/L),就可以由双光子吸收系数β进一步求得双光子吸收截面δ(单位为cm4·s·photon-1),β与δ之间有如下关系:
其中h为普朗克常数,υ为入射光频率,NA=6.023×1023为阿伏加德罗常数。
2 理论仿真
我们已利用Z-scan技术对多种材料的非线性光学性质进行了实验研究[8,9,10,11,12]。本文采用NI公司的虚拟仪器平台LabVIEW构建了Z-scan仿真系统。为使仿真实验接近于实际,仿真时使用的基本参数均参考已搭建的Z-scan系统。
2.1 仿真参考的实验系统参数
图1是实验室所用的实验装置图。光源为相干公司的千赫兹飞秒激光器,输出中心波长为800 nm,脉冲宽度为40 fs,重复频率为1 kHz,发散角为0.2 mrad。实验中所用的聚焦透镜焦距为F=12 cm,由PN光电二极管探测光强变化,送入锁相放大器,最后由计算机采集数据。被测样品固定在特制的镜架上,然后放在北京光学仪器厂提供的一维扫描平台上,平移台连接到计算机上,由计算机来控制它的步长和停顿时间。目标样品选用Rhodamine 6G,文献报道的在800 nm波长处,它的双光子吸收截面为13.4 GM[5,6]。(1 GM=10-50 cm4·s·photon-1)
2.2 仿真结果
2.2.1 光阑半径—归一化透过率曲线谷值依赖关系
假设飞秒激光器入射至光阑上的光功率为P,通过光阑后衰减为P2,则:
其中,r为光阑半径,ω为光斑束腰半径。
从方程(2)和方程(4),我们可以得到Z-scan归一化透过率曲线表达式:
其中
一般来说,在满足薄样品近似条件的情况下,N越大,Tm越小。因此N的取值应该足够大,以保证(2)式的截断误差足够小。其中,r为光阑半径,P为入射光功率,τ为飞秒脉冲脉宽,f为飞秒脉冲重频。F为前透镜焦距。
图2,3,4中的相关参数取值为:双光子吸收截面δ=13.4 GM,飞秒激光重频f=1 000 Hz,样品浓度C=1 mol/L,脉宽τ=40 fs,透镜焦距F=12 cm,样品厚度d=1.3 mm,线性吸收系数0.97,波长λ=800 nm,光斑半径r=6 mm,光阑前入射功率P=6 mW。
图2是Tm(样品位置Z=0)与阶次m的关系曲线。由图2和方程(6)知:
(a)光阑半径r足够小,使得薄样品近似条件|βI(r)L|<1成立时,Tm随m增大而减小,归一化透过率级数T(Z)收敛(见图2中(a));
(b)当光阑半径r的取值使得1<|βI(r)L|<23/2成立时, Tm随m的增大,先减小而后又急剧增大, 归一化透过率级数T(Z)发散(见图2中(b));
(c)当光阑半径r的取值使得|βI(r)L|>23/2成立时,Tm随m增大而急剧增大,归一化透过率级数T(Z)发散(见图2中(c))。
图3是相同入射光功率条件下,式(6)中的拟合阶数N分别取到奇数和偶数时的Z-scan归一化
透过率曲线。图4是焦点处归一化透过率值T(Z=0)随光阑半径r的变化曲线。由图3和4可知,随着光阑半径r的不断增大,入射光功率进一步增强,谷深凹陷程度进一步加大。当增大到r=3.15 mm时,这时|βI(r)L|=1,薄样品条件不再满足,由式(5)表达的透过率级数不再收敛,这又分为两种情况:
(a)拟合阶数N取至奇数时,焦点处归一化透过率T(Z=0)随光阑半径先减小,随之急剧增大,归一化透过率级数T(Z)不再收敛。
(b)拟合阶数N取至偶数时,焦点处归一化透过率T(Z=0)随光阑半径逐步下降,增大到一定程度时急剧下降,并且焦点处归一化透过率出现负值,归一化透过率级数T(Z)不再收敛。
通过以上分析,可以确定r=3.15 mm为本文中Z-scan系统满足薄样品近似条件的临界值,只有当光阑半径小于该临界值时,薄样品近似条件才能得到满足,才能保证由式(5)表达的透过率表达式收敛。因此,我们在Z-scan实验过程中,确定光阑尺寸的时候应充分考虑。如果入射光功率比较大,我们可以通过衰减入射光功率来保证Z-scan系统满足薄样品近似条件。如果光阑尺寸应当足够小,以保证薄样品条件得到满足。如果不能改变光阑尺寸。
2.2.2 光阑半径——拐点位置参数依赖关系
式(2)在符合薄样品近似条件下,归一化透过率函数二阶导数反映了样品透过率曲线的凸凹性,由归一化透过率曲线的形状可知,在该对称曲线的两侧存在凸凹临界点,即拐点,该拐点的位置可用下式求出:
由图5可以看出,该拐点距离光斑焦点的距离随光阑半径成双曲线变化趋势。随着光阑半径不断
增大,拐点越来越靠近焦点位置,而趋于一个常数。这说明,在其他实验条件不变的情况下,满足薄样品近似的实验结果曲线当光阑直径增大时,曲线“变窄”,如图3所示。因此,在实验中如果存在条件限制,当待测材料的扫描范围(即图3中Z的变化范围)有限时,可考虑适当增加入射光阑的尺寸来获得完整的实验曲线。
3 结 论
本文基于虚拟仪器LabVIEW平台在真实实验系统的基础上,构建了Z扫描虚拟仿真系统,给出了光阑半径变化时,归一化透过率谷深,拐点位置变化规律。从仿真结果来看:
(a)在不满足薄样品近似条件时,归一化透过率级数T(Z)不再收敛,并且,拟合阶数N取到奇数和偶数时发散趋势并不相同。应该指出,不满足|βI(r)L|<1条件时,采用式(2)拟合实验数据将有很大误差。我们在实验当中应当予以充分考虑。根据仿真结果,对于具体的测量若丹明6 G的实验,入射光阑尺寸应小于3.15 mm方能获得理想的实验结果。
(b)在Z-scan实验中,应该充分考虑入射光功率、材料扫描范围等因素来最终确定光阑半径尺寸大小。光阑半径太大,薄样品条件得不到满足,光阑半径太小,待测材料的扫描范围(即图3中Z的变化范围)可能太小,得不到完整的实验曲线。当待测材料的扫描范围有限时,可考虑适当增加入射光阑的尺寸来获得完整的实验曲线。
摘要：双光子吸收材料的非线性光学性能在光限幅、3D微制造、高密度存储和双光子荧光显微镜等领域具有广泛的应用前景和潜在的实用价值。寻找具有大双光子吸收截面的材料已成为光学及其交叉学科中最诱人,最活跃的研究领域之一。目前用于双光子吸收效应测量的主要手段有Z-scan法,双光子诱导荧光法,双光子瞬态吸收光谱法等。由于Z-scan法具有光路简单、灵敏度高及可同时测量三阶非线性极化率实部及虚部等诸多优点,已在相关领域获得了大量应用。目前有关该技术的研究基本集中在实验测试方面,理论仿真相对较少。利用虚拟仪器平台对应用于双光子吸收测试的Z-scan实验进行了仿真研究,讨论了实验参数合理性选择及实验参数间的依赖规律。通过仿真分析,重点给出了光阑半径对实验结果的影响规律,同时对扫描曲线拐点位置的变化规律也进行了详细的讨论。
关键词：双光子吸收,虚拟仪器,Z-scan
参考文献
[1]闫永丽.新型有机功能材料的双光子吸收特性及超快动力学研究[D].上海:复旦大学,2008:1-4.
[2]何国华,王刚,叶莉华,等.双光子吸收截面的测量方法[J].激光杂志,2003,6(24):4-6.
[3]Sheik-Bahae M,Wei T H.Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam[J].IEEE Journal of Quan-tum Electronics,1990,26(4):760-769.
[4]董志伟.金属复合纳米材料及宽带半导体材料的超快光物理研究[D].上海:复旦大学,2008:17-29.
[5]Nikolay S.Makarov,Mikhail Drobizhev,Aleksander Rebane.Two-photon absorption standards in the 550-1600 nm excita-tion wavelength range[J].Opt Express,2008,16(6):4029-4047.
[6]Clay G Omar,Chris B Schaffer,David Kleinfeld.Large two-photon absorptivity of hemoglobin in the infrared range of780—880 nm[J].J Chem Phys,2007,126(2):1-4.
[7]Sengupta P,Balaji J,Banerjee S,et al.Sensitive measure-ment of absolute two-photon absorption cross sections[J].JChem Phys,2000,112(21):9201-9205.
[8]姜玉刚,樊荣伟,夏元钦,等.固体染料激光介质DCM的多光子光物理特性研究[C].五省一市光学联合年会、十三省市光学联合年会,江西省,2008:156-159.
[9]Dong Zhiwei,Qian Shixiong,Yang Xiuchun,et al.Irradiationeffects of femtosecond pulses on refractive index of ag-embed-ded nanocomposite glasses[J].Chin Phys Lett,2010,27(2):1-4.
[10]Dong Zhiwei,You Guanjun,Zhou Peng,et al.Heat treat-ment effect on the ultrafast dynamics and nonlinear opticalproperties of Ag:Si3N4 nanocermets[J].Appl Phys,2006,39(22):4766-4770.
[11]Dong Zhiwei,Zhang Chunfeng,You Guanjun,et al.Multi-photon excitation UV emission by femtosecond pulses and on-linearity in ZnO single crystal[J].J Phys,2007,19(21):1-6.