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摘要：本文從汽車電子領域的工程實際出發(fā),闡述了應用快速原型方法以及集成開發(fā)環(huán)境技術開發(fā)控制系統(tǒng)的理念,并分析比較了國內(nèi)外該方法及技術的開發(fā)與應用現(xiàn)狀,設計了一種具體的結構方案.

關鍵詞：快速原型、集成開發(fā)環(huán)境（LDE）、汽車電子

1、應用背景

（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上越來越復雜和精密，同時人們也希望汽車更安全、更經(jīng)濟、操作性更加靈活方便。傳統(tǒng)的機械控制由于速度慢，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來提高整車性能。國際上汽車電子產(chǎn)品在整車成本中所占的比例平均超過30并呈快速上升趨勢，汽車電子在現(xiàn)代汽車工業(yè)中已經(jīng)有越來越重要的地位。

（2）快速原型方法提出的背景

現(xiàn)代市場對產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣性和快速性的趨勢，對控制系統(tǒng)安全必和可靠性的要求也與日俱增，為了在激烈的市場競爭中取勝，必須不斷地縮短新產(chǎn)品開發(fā)與投入市場的周期，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發(fā)之間的矛盾。為了設計可靠的控制系統(tǒng)，滿足用戶的多樣化需求，縮短項目開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)費用，需要采用先進的開發(fā)工具來加速設計流程，從而找到新的途徑獲得技術上的突破。使用快速原型方法與集成開發(fā)環(huán)境技術來進行控制系統(tǒng)開發(fā)的目的就是為了縮短開發(fā)周期，在行業(yè)競爭中能夠快速開發(fā)新產(chǎn)品，從而獲得最大的經(jīng)濟效益和市場益。

2、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)過程與使用快速原型方法進行開發(fā)的比較

快速原型方法是現(xiàn)代控制系統(tǒng)開發(fā)方式催生的產(chǎn)物，通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(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)設計開發(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)開發(fā)方法流程，開發(fā)步驟如下：

●根據(jù)需求用文字說明的方式提出設計目標；

●根據(jù)以往開發(fā)經(jīng)驗提出系統(tǒng)結構；

●由硬件人員設計并制造硬件電路；

●由控制工程師設計控制方案，并將控制模型用方程的形式描述出來；

●由軟件人員采用手工編程的方式實現(xiàn)控制模型；

●由系統(tǒng)工程師或電子技術專家將代碼集成到硬件電路中；

圖1偉統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)方法流程

●用真實控制對象或測試臺進行測試。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)存在的不足；

●在對控制規(guī)律的控制特性或控制效果還沒有把握的情況下，已經(jīng)完成硬件電路的制造，這時，由于還無法確定所設計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，一旦在測試過程中出現(xiàn)故障，就很難確定是控制方案不理想還是軟件代碼有錯誤。更重要的是手工編程將會占用大量的時間，導致雖然有了控制方案，卻要等待很長時間才能對其進行驗證和測試，從而在不知道方案是否可行的情況下就浪費了大量的時間，人才和物力，給開發(fā)帶來了不必要的開支和經(jīng)濟損失；

●即使軟件編程不存在問題，如果在測試過程中發(fā)現(xiàn)控制方案不理想，需要進行修改，則新一輪開發(fā)工作又將開始。大量的時間又將耗費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)，導致開發(fā)周期長，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，市場的機會已經(jīng)錯過，產(chǎn)品已沒有了銷路，從而使整個開發(fā)以失敗告終。

（2）快速原型開發(fā)方法及流程

基于模型設計面向目標應用系統(tǒng)的快速原型開發(fā)方法最重要的特征就是采用計算機輔助控制系統(tǒng)設計，即將計算機支持的工具貫穿于控制系統(tǒng)開發(fā)和測試的全過程。應用快速原型方法進行控制系統(tǒng)開發(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)設計方法中，這一過程通常是幾千字甚至幾萬字的文字說明。在快速原型開發(fā)方法中為了避免文字說明的模糊性及理解性錯誤，詳細說明將采用模型方式。可以用信號流圖來進行定義。

●控制方案設計

控制方案的設計不再采用過去的那種先將對象模型簡化成手工可以處理的形式，再根據(jù)經(jīng)驗進行手工設計的方式，而是用諸如MATLAB/SIMULINK等計算機輔建模及分析軟件，建立盡可能準確的控制模型，并進行離線仿真分析，從而避免了傳統(tǒng)設計過程中由于模型過于簡化，在沒有相應的計算機輔助設計工具支持情況下，完成了大量的工作而到了試驗階段才發(fā)現(xiàn)所設計的方案根本不能滿期足實際對象的控制要求。

圖2應用快速原型方法進行控制系統(tǒng)開發(fā)

●硬件平臺

硬件平臺是快速原型方法的重要組成部分，它由CPU與外圍擴展電路組成，通過外部功能接口與目標應用系統(tǒng)進行交互，也可以根據(jù)實際需求對信號進行調(diào)理，從而實現(xiàn)對目標應用系統(tǒng)的控制。

●自動代碼生成

用戶進行控制算法模型設計后，無須再像過去那樣來等待軟件工程師進行手工編程，而是利用計算機輔助設計工具自動將控制模型框圖轉換為目標系統(tǒng)代碼，從而快速實現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型。自動生成的代碼可以節(jié)省大量的系統(tǒng)開發(fā)時間，可靠性高，但是運行效率比手工編程低。對大多數(shù)工程師而言，如果能夠加快開發(fā)速率，損失代碼的部分實時運行效率是可以接受的。而且這個問題可以通過后期進行的自動代碼優(yōu)化功能得以改善。

●實時仿真與測試

在系統(tǒng)開發(fā)階段完成之后，就可以利用計算機輔助試驗測試工具軟件進行各種試驗，以檢驗控制方案對實際對象的控制效果，并隨時修改控制參數(shù)，直到得到滿意的結果為止。即使需要對模型作很大修改，從修改到下一次對原型的測試也只需要幾分鐘的時間。從而在最終實現(xiàn)控制方案之前，就已經(jīng)對可能得到的結果有了相當?shù)陌盐?，避免了過多的資源浪費和時間消耗。

●硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真的目的是通過對實際情況進行模擬從而對控制模型在各種條件下做出全面測試。它的優(yōu)點是可以通過在對故障情況和極限條件下的測試找出控制裝置的設計缺陷，從而縮短開發(fā)周期，降低相關維護費用。

3、集成開發(fā)環(huán)境技術

3.1集成開發(fā)環(huán)境的功能

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，開發(fā)的不同階段需要用到不同的軟件，開發(fā)者必須在幾種軟件間來回切換操作，效率比較低。而隨著市場需求的增長，系統(tǒng)開發(fā)復雜度愈來愈高，特別在大型控制系統(tǒng)的開發(fā)中，企業(yè)必須選擇優(yōu)秀的開發(fā)工具以保證工程質(zhì)量，從而能夠按時交付和實現(xiàn)成本控制。集成開發(fā)環(huán)境正是這樣一個將編輯、編譯、調(diào)試、仿真等功能集成在一個桌面環(huán)境中，既方便了用戶，又提高了工程質(zhì)量和開發(fā)速度。

基于快速原型方法的集成開發(fā)環(huán)境功能包括：提供控制操作界面；建立控制模型；通過上位機與目標CPU的接口瀏覽目標CPU硬件平臺狀態(tài)和信息；集成MATLAB/SIMULINK進行仿真建模；集成RTM對SIMULINK所構建的模型進行自動代碼生成;集成編譯器、鏈接器、調(diào)試器等對生產(chǎn)的代碼進行交叉編譯，調(diào)試，從而對目標CPU進行控制；集成控制界面，用于實現(xiàn)對所給定參數(shù)的測試和優(yōu)化；模擬仿真應用系統(tǒng)控制算法；通過硬件調(diào)試接口將生成的目標CPU的機器代碼下載到硬件平臺；實時調(diào)試運行應用程序等等。

3.2使用集成開發(fā)環(huán)境進行快速原型控制系統(tǒng)開發(fā)的特點

使用集成開發(fā)環(huán)境進行快速原型控制系統(tǒng)開發(fā)這種開發(fā)模式方便、快捷。通過使用圖形化界面的模型框圖，輸入計算公式、經(jīng)驗公式來編制開發(fā)程序，再由系統(tǒng)自動將其編譯成目標代碼的方式可以大大提高效率。應用程序經(jīng)過反復模擬仿真、實時調(diào)試運行成功后被裝入硬件平臺。一些特定、重復任務的應用程序被生成模塊化的庫文件以備調(diào)用。模塊化的應用程序可以實時在線導入導出而絲毫不影響系統(tǒng)的正常運行。這樣使用集成開發(fā)環(huán)境對快速開發(fā)和實時數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)了從想法提出到建模直至進行控制的一體化過程。

4.國外汽車電子行業(yè)快速原型集成開發(fā)環(huán)境的情況

4.1dSPACE

dSPACE實時仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/SIMULINK的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺。廣泛應用于航空航天、汽車電子、電力、機車、機器人、驅動及工業(yè)控制等領域。該系統(tǒng)由硬件組成和基于這些硬件組件的軟件開發(fā)工具集組成。它通過設計標準組件，提供組件的不同組合來適應不同的應用系統(tǒng)；通過使用MATLAB、SIMULINK、RTW來提供對硬件接口的支持；使用自動代碼生成和下載工具，減少了軟件代碼編寫和修改的時間，體現(xiàn)了現(xiàn)代開發(fā)方法的快速性；同時提供產(chǎn)品控制器與dSPACE系統(tǒng)納入閉環(huán)測試中，易于原型設計到產(chǎn)品的轉換。

dSPACE為控制工程項目的開發(fā)和測試提供軟硬件平臺，應用十分廣泛，許多汽車工業(yè)的用戶都使用dSPACE作為開發(fā)測試的工具，如Audi公司用dSPACE實現(xiàn)了ABS控制器測試臺；Ford、GeneralMotors、Honda、ToyotaMotor、Nissa、MazdaMotor等公司用dSPACE進行動力控制原型的開發(fā)；德國Adtranz公司則用dSPACE實現(xiàn)了電力機車的仿真。

4.2MOBIES

MOBIES是由美國國防部國防高技術研究項目局的信息處理技術辦公室（IPTO）資助的項目。旨在為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供一個基于模型的軟件組成件集成技術。此項目注重建模工具、系統(tǒng)分析和代碼生成技術的研究。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的思想。

MOBIES項目試圖從更抽象的層面上來建立組件庫，同時定義整個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階段，以此達到滿足多領域的控制系統(tǒng)設計需求的目的。

4.3OpenECU

OpenECU系統(tǒng)主要面向汽車電子領域的軟硬件開發(fā)，由英國PiTechnology公司開發(fā)研制，該系統(tǒng)通過使用MATLAB/SIMULINK來快速開發(fā)控制系統(tǒng)。

OpenECU系統(tǒng)包括：ECU硬件開發(fā)板，ECU硬件小批量生產(chǎn)板，配套開發(fā)軟件，汽油發(fā)動機基本控制策略，自動代碼生成以及一些其他工具。它的典型應用包括：汽油發(fā)動機ECU開發(fā)（適用于1~8缸），變速箱控制開發(fā)，混合動力能量管理控制系統(tǒng)，自動駕駛控制系統(tǒng)等。

4.4國內(nèi)快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術研究情況

國內(nèi)在快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術方面的開發(fā)研制基本上是一片空白。在汽車電子領域中以使用國外相關產(chǎn)品，主要是dSPACE為主，還未形成研制、生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品的局面。同國外快速原型系統(tǒng)與集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)相比還存在著很大的距離，開發(fā)出自主系統(tǒng)對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

5.技術路線和結構設計

通過以上介紹，可以看出在控制系統(tǒng)設計開發(fā)領域，基于快速原型集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)方法比傳統(tǒng)的開發(fā)方法具有較大的優(yōu)勢。不僅具有快速開發(fā)、實時性和可靠性高的特點，而且能夠做到模塊化、自動化和可定制化。

5.1采用的技術路線

要實現(xiàn)快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設計、離線仿真、實時開發(fā)及測試工具，允許用戶反復修改模型設計，進行離線及實時仿真。為了實現(xiàn)上述目標，我們在集成開發(fā)環(huán)境當中使用MATLAB/SIMULINK等工具建立控制系統(tǒng)模型，利用RTW（Realtimeworkshop）產(chǎn)生控制算法的C代碼，與我們自己編寫的目標環(huán)境相關的代碼同時通過目標系統(tǒng)的交叉編譯器進行編譯生成目標系統(tǒng)可執(zhí)行文件，下載到快速控制原型的硬件系統(tǒng)中進行調(diào)試分析，進行參數(shù)標定，并通過硬件的實時測試不斷修改控制方案和算法，從而達到最優(yōu)控制效果。（如圖3）

圖3基于快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術的系統(tǒng)原理框圖

5.2硬件平臺

由于車載CPU處于一個強振動，高電磁輻射的環(huán)境當中，這就要求硬件平臺要有很強的搞振動，抗高溫，抗電磁干擾的能力，并具有高度的靈活性和可靠性，能夠在高速移動的苛刻環(huán)境下工作，而且考慮到當今汽車電子應用的主流，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)所設計的32位微控制器MPC555為基礎的硬件平臺。同時，用戶還可以根據(jù)實際需求選擇外圍接口電路，從而達到可定制的要求。

5.3集成開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)以集成開發(fā)環(huán)境為基本的軟件平臺，在此平臺上集成以下組件和模塊：

●基于PowerPC平臺的交叉編譯器；

●基于交叉編譯器的C語言庫函數(shù)；

●基于MATLAB/SIMULINK的建模枋真的控制軟件；

●基于RTW的自動代碼生成工具；

●標準I/O驅動模塊。

6.結束語

快速原型與集成開發(fā)環(huán)境技術在國內(nèi)還處于起步階段，從技術實現(xiàn)角度來說，由于世界范圍內(nèi)硬件市場相對開放的局面，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發(fā)，掌握核心技術勢在必行。