摘要：本文從汽車電子領(lǐng)域的工程實(shí)際出發(fā),闡述了應(yīng)用快速原型方法以及集成開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的理念,并分析比較了國(guó)內(nèi)外該方法及技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種具體的結(jié)構(gòu)方案.
關(guān)鍵詞：快速原型、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（LDE）、汽車電子
1、 應(yīng)用背景
（1）汽車電子在汽車工業(yè)中的重要位置
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車在工藝和制造技術(shù)上越來(lái)越復(fù)雜和精密，同時(shí)人們也希望汽車更安全、更經(jīng)濟(jì)、操作性更加靈活方便。傳統(tǒng)的機(jī)械控制由于速度慢，可靠性低已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代需要，因此現(xiàn)代汽車大量采用電子控制技術(shù)來(lái)提高整車性能。國(guó)際上汽車電子產(chǎn)品在整車成本中所占的比例平均超過(guò)30%并呈快速上升趨勢(shì)，汽車電子在現(xiàn)代汽車工業(yè)中已經(jīng)有越來(lái)越重要的地位。
（2）快速原型方法提出的背景
現(xiàn)代市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性和快速性的趨勢(shì)，對(duì)控制系統(tǒng)安全必和可靠性的要求也與日俱增，為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝，必須不斷地縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與投入市場(chǎng)的周期，這就出現(xiàn)了企業(yè)新產(chǎn)品面臨著多樣性的需求和快速開(kāi)發(fā)之間的矛盾。為了設(shè)計(jì)可靠的控制系統(tǒng)，滿足用戶的多樣化需求，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用，需要采用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具來(lái)加速設(shè)計(jì)流程，從而找到新的途徑獲得技術(shù)上的突破。使用快速原型方法與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的就是為了縮短開(kāi)發(fā)周期，在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中能夠快速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)益。
2、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程與使用快速原型方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)的比較
快速原型方法是現(xiàn)代控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式催生的產(chǎn)物，通過(guò)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法的比較，我們可以看出快速控制原型方法在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的優(yōu)越性和先性性。
（1）圖1所示是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法流程，開(kāi)發(fā)步驟如下：
●根據(jù)需求用文字說(shuō)明的方式提出設(shè)計(jì)目標(biāo)；
●根據(jù)以往開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
●由硬件人員設(shè)計(jì)并制造硬件電路；
●由控制工程師設(shè)計(jì)控制方案，并將控制模型用方程的形式描述出來(lái)；
●由軟件人員采用手工編程的方式實(shí)現(xiàn)控制模型；
●由系統(tǒng)工程師或電子技術(shù)專家將代碼集成到硬件電路中；
●用真實(shí)控制對(duì)象或測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)存在的不足；
●在對(duì)控制規(guī)律的控制特性或控制效果還沒(méi)有把握的情況下，已經(jīng)完成硬件電路的制造，這時(shí)，由于還無(wú)法確定所設(shè)計(jì)的方案能在多大程度滿足需求，或根本不能滿足需求的情況下，就已經(jīng)產(chǎn)生了較大的硬件投入；
●手工編制的控制程序容易造成系統(tǒng)可靠性降低，一旦在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)故障，就很難確定是控制方案不理想還是軟件代碼有錯(cuò)誤。更重要的是手工編程將會(huì)占用大量的時(shí)間，導(dǎo)致雖然有了控制方案，卻要等待很長(zhǎng)時(shí)間才能對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，從而在不知道方案是否可行的情況下就浪費(fèi)了大量的時(shí)間，人才和物力，給開(kāi)發(fā)帶來(lái)了不必要的開(kāi)支和經(jīng)濟(jì)損失；
●即使軟件編程不存在問(wèn)題，如果在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)控制方案不理想，需要進(jìn)行修改，則新一輪開(kāi)發(fā)工作又將開(kāi)始。大量的時(shí)間又將耗費(fèi)在軟硬件的修改和調(diào)試上。另外，由于涉及的部門多，再加上管理不善所引入的種種不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，最終可能出現(xiàn)產(chǎn)品雖然研制成功了，但初始需求已經(jīng)發(fā)生了變化，市場(chǎng)的機(jī)會(huì)已經(jīng)錯(cuò)過(guò)，產(chǎn)品已沒(méi)有了銷路，從而使整個(gè)開(kāi)發(fā)以失敗告終。
（2）快速原型開(kāi)發(fā)方法及流程
基于模型設(shè)計(jì)面向目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的快速原型開(kāi)發(fā)方法最重要的特征就是采用計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即將計(jì)算機(jī)支持的工具貫穿于控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試的全過(guò)程。應(yīng)用快速原型方法進(jìn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，一般由下列步驟組成（如圖2所示）：
●系統(tǒng)需求與分析
在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，這一過(guò)程通常是幾千字甚至幾萬(wàn)字的文字說(shuō)明。在快速原型開(kāi)發(fā)方法中為了避免文字說(shuō)明的模糊性及理解性錯(cuò)誤，詳細(xì)說(shuō)明將采用模型方式?？梢杂眯盘?hào)流圖來(lái)進(jìn)行定義。
●控制方案設(shè)計(jì)
控制方案的設(shè)計(jì)不再采用過(guò)去的那種先將對(duì)象模型簡(jiǎn)化成手工可以處理的形式，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工設(shè)計(jì)的方式，而是用諸如MATLAB/SIMULINK等計(jì)算機(jī)輔建模及分析軟件，建立盡可能準(zhǔn)確的控制模型，并進(jìn)行離線仿真分析，從而避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中由于模型過(guò)于簡(jiǎn)化，在沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具支持情況下，完成了大量的工作而到了試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的方案根本不能滿期足實(shí)際對(duì)象的控制要求。
●硬件平臺(tái)
硬件平臺(tái)是快速原型方法的重要組成部分，它由CPU與外圍擴(kuò)展電路組成，通過(guò)外部功能接口與目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行交互，也可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)的控制。
●自動(dòng)代碼生成
用戶進(jìn)行控制算法模型設(shè)計(jì)后，無(wú)須再像過(guò)去那樣來(lái)等待軟件工程師進(jìn)行手工編程，而是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具自動(dòng)將控制模型框圖轉(zhuǎn)換為目標(biāo)系統(tǒng)代碼，從而快速實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型。自動(dòng)生成的代碼可以節(jié)省大量的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，可靠性高，但是運(yùn)行效率比手工編程低。對(duì)大多數(shù)工程師而言，如果能夠加快開(kāi)發(fā)速率，損失代碼的部分實(shí)時(shí)運(yùn)行效率是可以接受的。而且這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)后期進(jìn)行的自動(dòng)代碼優(yōu)化功能得以改善。
●實(shí)時(shí)仿真與測(cè)試
在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段完成之后，就可以利用計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)測(cè)試工具軟件進(jìn)行各種試驗(yàn)，以檢驗(yàn)控制方案對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制效果，并隨時(shí)修改控制參數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果為止。即使需要對(duì)模型作很大修改，從修改到下一次對(duì)原型的測(cè)試也只需要幾分鐘的時(shí)間。從而在最終實(shí)現(xiàn)控制方案之前，就已經(jīng)對(duì)可能得到的結(jié)果有了相當(dāng)?shù)陌盐眨苊饬诉^(guò)多的資源浪費(fèi)和時(shí)間消耗。
●硬件在環(huán)仿真
硬件在環(huán)仿真的目的是通過(guò)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬從而對(duì)控制模型在各種條件下做出全面測(cè)試。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)在對(duì)故障情況和極限條件下的測(cè)試找出控制裝置的設(shè)計(jì)缺陷，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低相關(guān)維護(hù)費(fèi)用。
3、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)
3.1集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的功能
在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)的不同階段需要用到不同的軟件，開(kāi)發(fā)者必須在幾種軟件間來(lái)回切換操作，效率比較低。而隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)復(fù)雜度愈來(lái)愈高，特別在大型控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，企業(yè)必須選擇優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具以保證工程質(zhì)量，從而能夠按時(shí)交付和實(shí)現(xiàn)成本控制。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境正是這樣一個(gè)將編輯、編譯、調(diào)試、仿真等功能集成在一個(gè)桌面環(huán)境中，既方便了用戶，又提高了工程質(zhì)量和開(kāi)發(fā)速度。
基于快速原型方法的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境功能包括：提供控制操作界面；建立控制模型；通過(guò)上位機(jī)與目標(biāo)CPU的接口瀏覽目標(biāo)CPU硬件平臺(tái)狀態(tài)和信息；集成MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真建模；集成RTM對(duì)SIMULINK所構(gòu)建的模型進(jìn)行自動(dòng)代碼生成;集成編譯器、鏈接器、調(diào)試器等對(duì)生產(chǎn)的代碼進(jìn)行交叉編譯，調(diào)試，從而對(duì)目標(biāo)CPU進(jìn)行控制；集成控制界面，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)所給定參數(shù)的測(cè)試和優(yōu)化；模擬仿真應(yīng)用系統(tǒng)控制算法；通過(guò)硬件調(diào)試接口將生成的目標(biāo)CPU的機(jī)器代碼下載到硬件平臺(tái)；實(shí)時(shí)調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序等等。
3.2使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行快速原型控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)
使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行快速原型控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)這種開(kāi)發(fā)模式方便、快捷。通過(guò)使用圖形化界面的模型框圖，輸入計(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)編制開(kāi)發(fā)程序，再由系統(tǒng)自動(dòng)將其編譯成目標(biāo)代碼的方式可以大大提高效率。應(yīng)用程序經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬仿真、實(shí)時(shí)調(diào)試運(yùn)行成功后被裝入硬件平臺(tái)。一些特定、重復(fù)任務(wù)的應(yīng)用程序被生成模塊化的庫(kù)文件以備調(diào)用。模塊化的應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)在線導(dǎo)入導(dǎo)出而絲毫不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這樣使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)快速開(kāi)發(fā)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)了從想法提出到建模直至進(jìn)行控制的一體化過(guò)程。
4.國(guó)外汽車電子行業(yè)快速原型集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的情況
4.1dSPACE
dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/SIMULINK的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)。廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車電子、電力、機(jī)車、機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)及工業(yè)控制等領(lǐng)域。該系統(tǒng)由硬件組成和基于這些硬件組件的軟件開(kāi)發(fā)工具集組成。它通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)組件，提供組件的不同組合來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用系統(tǒng)；通過(guò)使用MATLAB、SIMULINK、RTW來(lái)提供對(duì)硬件接口的支持；使用自動(dòng)代碼生成和下載工具，減少了軟件代碼編寫和修改的時(shí)間，體現(xiàn)了現(xiàn)代開(kāi)發(fā)方法的快速性；同時(shí)提供產(chǎn)品控制器與dSPACE系統(tǒng)納入閉環(huán)測(cè)試中，易于原型設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換。
dSPACE為控制工程項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和測(cè)試提供軟硬件平臺(tái)，應(yīng)用十分廣泛，許多汽車工業(yè)的用戶都使用dSPACE作為開(kāi)發(fā)測(cè)試的工具，如Audi公司用dSPACE實(shí)現(xiàn)了ABS控制器測(cè)試臺(tái)；Ford、General Motors、Honda、Toyota Motor、Nissa、Mazda Motor等公司用dSPACE進(jìn)行動(dòng)力控制原型的開(kāi)發(fā)；德國(guó)Adtranz公司則用dSPACE實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的仿真。
4.2 MOBIES
MOBIES是由美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高技術(shù)研究項(xiàng)目局的信息處理技術(shù)辦公室（IPTO）資助的項(xiàng)目。旨在為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供一個(gè)基于模型的軟件組成件集成技術(shù)。此項(xiàng)目注重建模工具、系統(tǒng)分析和代碼生成技術(shù)的研究。在建模工具的使用、軟件規(guī)范性和通用性等方面提出了很多先進(jìn)的思想。
MOBIES項(xiàng)目試圖從更抽象的層面上來(lái)建立組件庫(kù)，同時(shí)定義整個(gè)嵌入式軟件工具集中通用的內(nèi)部規(guī)范格式，貫穿于從需求分析、建模、仿真分析到代碼生成的各個(gè)階段，以此達(dá)到滿足多領(lǐng)域的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的目的。
4.3 OpenECU
OpenECU系統(tǒng)主要面向汽車電子領(lǐng)域的軟硬件開(kāi)發(fā)，由英國(guó)Pi Technology公司開(kāi)發(fā)研制，該系統(tǒng)通過(guò)使用MATLAB/SIMULINK來(lái)快速開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)。
OpenECU系統(tǒng)包括：ECU硬件開(kāi)發(fā)板，ECU硬件小批量生產(chǎn)板，配套開(kāi)發(fā)軟件，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)基本控制策略，自動(dòng)代碼生成以及一些其他工具。它的典型應(yīng)用包括：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開(kāi)發(fā)（適用于1~8缸），變速箱控制開(kāi)發(fā)，混合動(dòng)力能量管理控制系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)等。
4.4國(guó)內(nèi)快速原型與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)研究情況
國(guó)內(nèi)在快速原型與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)方面的開(kāi)發(fā)研制基本上是一片空白。在汽車電子領(lǐng)域中以使用國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品，主要是dSPACE為主，還未形成研制、生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品的局面。同國(guó)外快速原型系統(tǒng)與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)發(fā)相比還存在著很大的距離，開(kāi)發(fā)出自主系統(tǒng)對(duì)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
5.技術(shù)路線和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)以上介紹，可以看出在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，基于快速原型集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)發(fā)方法比傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法具有較大的優(yōu)勢(shì)。不僅具有快速開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)性和可靠性高的特點(diǎn)，而且能夠做到模塊化、自動(dòng)化和可定制化。
5.1采用的技術(shù)路線
要實(shí)現(xiàn)快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計(jì)、離線仿真、實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)及測(cè)試工具，允許用戶反復(fù)修改模型設(shè)計(jì)，進(jìn)行離線及實(shí)時(shí)仿真。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們?cè)诩砷_(kāi)發(fā)環(huán)境當(dāng)中使用MATLAB/SIMULINK等工具建立控制系統(tǒng)模型，利用RTW（Real time workshop）產(chǎn)生控制算法的C代碼，與我們自己編寫的目標(biāo)環(huán)境相關(guān)的代碼同時(shí)通過(guò)目標(biāo)系統(tǒng)的交叉編譯器進(jìn)行編譯生成目標(biāo)系統(tǒng)可執(zhí)行文件，下載到快速控制原型的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試分析，進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，并通過(guò)硬件的實(shí)時(shí)測(cè)試不斷修改控制方案和算法，從而達(dá)到最優(yōu)控制效果。
5.2 硬件平臺(tái)
由于車載CPU處于一個(gè)強(qiáng)振動(dòng)，高電磁輻射的環(huán)境當(dāng)中，這就要求硬件平臺(tái)要有很強(qiáng)的搞振動(dòng)，抗高溫，抗電磁干擾的能力，并具有高度的靈活性和可靠性，能夠在高速移動(dòng)的苛刻環(huán)境下工作，而且考慮到當(dāng)今汽車電子應(yīng)用的主流，我們選用了專為汽車電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的32位微控制器MPC555為基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)。同時(shí)，用戶還可以根據(jù)實(shí)際需求選擇外圍接口電路，從而達(dá)到可定制的要求。
5.3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境
系統(tǒng)以集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為基本的軟件平臺(tái)，在此平臺(tái)上集成以下組件和模塊：
●基于PowerPC平臺(tái)的交叉編譯器；
●基于交叉編譯器的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)；
●基于MATLAB/SIMULINK的建模枋真的控制軟件；
●基于RTW的自動(dòng)代碼生成工具；
●標(biāo)準(zhǔn)I/O驅(qū)動(dòng)模塊。
6.結(jié)束語(yǔ)
快速原型與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來(lái)說(shuō)，由于世界范圍內(nèi)硬件市場(chǎng)相對(duì)開(kāi)放的局面，在硬件選型上有很大的自由，而軟件的各種控制模塊技術(shù)以及核心算法掌握在少數(shù)處于壟斷地位的大公司手中，因此要確保軟件從底層開(kāi)發(fā)，掌握核心技術(shù)勢(shì)在必行。
（轉(zhuǎn)載）
