利用多目標(biāo)建模技術(shù)降低ECU軟件成本

多目標(biāo)建模是一種電子控制單元(ECU)開發(fā)技術(shù)，它采用了基于模型的設(shè)計(jì)方法和自動(dòng)嵌入式代碼生成技術(shù)。利用多目標(biāo)建模技術(shù)可以為各種嵌入式DSP、微處理器和微控制器建立算術(shù)模型，并實(shí)現(xiàn)代碼的自動(dòng)生成。軟件開發(fā)人員也因此可以節(jié)省許多時(shí)間和精力，因?yàn)樗麄儾辉傩枰獮槊總€(gè)嵌入式目標(biāo)器件編寫、測(cè)試和重編代碼。 

在這方面，Visteon公司正在使用多目標(biāo)建模技術(shù)開發(fā)動(dòng)力控制系統(tǒng)。他們的方法以數(shù)據(jù)字典的創(chuàng)建為基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)字典用來控制模型仿真和嵌入式代碼生成時(shí)使用的數(shù)據(jù)類型。利用這種方法可以仿真設(shè)計(jì)思路，并根據(jù)各種嵌入式處理器選項(xiàng)試驗(yàn)各種處理器的算法功能。仿真環(huán)境有助于設(shè)計(jì)師在軟件實(shí)現(xiàn)前就確定數(shù)據(jù)分辨率和量化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。一旦選好了合適的嵌入式處理器，代碼就能自動(dòng)生成和創(chuàng)建，并被集成進(jìn)產(chǎn)品ECU。仿真和代碼生成環(huán)境由MathWorks公司的Simulink及Real-Time Workshop Embedded Coder提供。本文將介紹使用多目標(biāo)建模方法開發(fā)動(dòng)力ECU的技術(shù)、工具以及因此帶來的好處。 

人工的多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法 

支持各種硬件架構(gòu)的傳統(tǒng)方法是人工開發(fā)代碼。這些代碼接口方便，并且很容易從一種架構(gòu)改成另一種架構(gòu)。這種方法的挑戰(zhàn)是，工程師很難將他們的浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換過程要求提供各種變量和參數(shù)的換算系數(shù)和其它定點(diǎn)信息。另外，也很難創(chuàng)建和維持這樣一種軟件層，它能以一種易用的方式提供高層算法和定點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)之間的足夠的抽象(abstraction）。

從浮點(diǎn)到定點(diǎn)架構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)和接口會(huì)給開發(fā)過程帶來其它問題，包括：

1. 建立換算信息要花很長(zhǎng)時(shí)間；

2. 測(cè)試定點(diǎn)上溢和下溢是一件很繁瑣的工作。每次數(shù)學(xué)運(yùn)算都要求用最小和最大值進(jìn)行分析和測(cè)試，才能滿足上溢和下溢檢查的需求；

3. 人工設(shè)計(jì)和編碼技術(shù)很容易出錯(cuò)。

 圖1：Visteon公司動(dòng)力系統(tǒng)的多目標(biāo)建模架構(gòu)。

基于模型的多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法

在20世紀(jì)90年代，Visteon公司開始研究模型和自動(dòng)代碼生成在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。調(diào)查結(jié)果使Visteon公司決定從人工開發(fā)方法轉(zhuǎn)向模型設(shè)計(jì)方法。這種方法的轉(zhuǎn)換在過去六年中一直在進(jìn)行，因?yàn)橐延械氖止ぞ幋a生產(chǎn)模塊需要根據(jù)要求逐步轉(zhuǎn)換成Simulink模型。在這段時(shí)間內(nèi)也引入了Real-Time Workshop Embedded Coder的自動(dòng)代碼生成功能。該功能已在產(chǎn)品ECU實(shí)現(xiàn)中用來從模型中自動(dòng)產(chǎn)生代碼。

目前模型設(shè)計(jì)方法已在汽車產(chǎn)業(yè)中得到廣泛使用，使用建模、仿真和自動(dòng)代碼生成的好處也已眾所周知。Visteon公司建立了完整的建模環(huán)境，可以幫助設(shè)計(jì)師使用多目標(biāo)、自動(dòng)代碼生成方法快速部署不同的硬件架構(gòu)。該方法需要利用外部數(shù)據(jù)字典來約束從模型架構(gòu)生成的代碼的格式和結(jié)構(gòu)。

模型設(shè)計(jì)環(huán)境

多目標(biāo)模型與數(shù)據(jù)類型無關(guān)。最初模型使用的數(shù)據(jù)類型是主機(jī)執(zhí)行仿真時(shí)可用的最大字長(zhǎng)度(例如雙精度實(shí)數(shù))。這樣就提供了被建議算法的理想行為。如果行為能令人滿意，就可以再增加特定的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，使模型適合產(chǎn)品ECU的要求。

圖2：數(shù)據(jù)字典例子。

為了使模型符合特定目標(biāo)要求，需要將數(shù)據(jù)字典和特定硬件信息裝載進(jìn)MATLAB工作區(qū)。同時(shí)提供數(shù)據(jù)字典和基準(zhǔn)通用模型的鏈接機(jī)制。自動(dòng)化換算工具可以使轉(zhuǎn)換和驗(yàn)證過程更加便利。自動(dòng)化代碼生成就是將定點(diǎn)設(shè)計(jì)翻譯成產(chǎn)品代碼的過程。接著Visteon公司工程師將軟硬件組件集成進(jìn)最終的產(chǎn)品ECU中，以便今后進(jìn)一步的驗(yàn)證和確認(rèn)操作。

圖1給出了Visteon公司動(dòng)力系統(tǒng)使用的通用模型架構(gòu)，并說明了如何使用多個(gè)數(shù)據(jù)字典實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)細(xì)節(jié)。

一旦行為令人滿意，通用模型就被納入Visteon公司的配置管理系統(tǒng)中，并作為動(dòng)力算法庫中的一個(gè)組件放置在知識(shí)架上。工程師可以隨時(shí)通過復(fù)用存儲(chǔ)在算法庫中的模型組件創(chuàng)建新的算法。

模型設(shè)計(jì)工具

Simulink公司通過使用信號(hào)和參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)象支持面向數(shù)據(jù)字典的數(shù)據(jù)規(guī)范?？梢岳眉虞d進(jìn)MATLAB工作區(qū)的外部數(shù)據(jù)字典確定數(shù)據(jù)對(duì)象。一旦開始仿真或代碼生成，Simulink或Real-Time Workshop Embedded Coder就開始檢查模型中已被命名的信號(hào)或參數(shù)在工作區(qū)中是否有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象。如果工作區(qū)中存在對(duì)象，就可以在仿真和代碼生成過程中使用數(shù)據(jù)對(duì)象的屬性。

圖3：通用模型例子。

圖2就是具有數(shù)據(jù)對(duì)象的工作區(qū)例子。可以賦于數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)屬性包括了初始值、數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)類、描述、最小和最大值等。除此之外，還可以賦于定點(diǎn)屬性，如字長(zhǎng)度、小數(shù)長(zhǎng)度或二進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)、有符號(hào)或無符號(hào)等等。使用數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行仿真和代碼生成的通用模型如圖3所示。這些例子描述的技術(shù)并不代表Visteon公司專有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)或模型。

在建立通用模型后，Visteon公司的軟件工程師就要為他們需要的目標(biāo)架構(gòu)創(chuàng)建并換成特定的數(shù)據(jù)字典，然后使用這個(gè)數(shù)據(jù)字典進(jìn)行仿真和代碼生成。然而，創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)秀的定點(diǎn)數(shù)據(jù)字典需要花很長(zhǎng)的時(shí)間，這是因?yàn)樵诖_定換算系數(shù)時(shí)需要做多方面的折衷考慮。工程師需要選擇能夠提供足夠精度但在已知范圍內(nèi)的換算系數(shù)。如果換算系數(shù)的選擇不夠充分，那么當(dāng)結(jié)果超過字長(zhǎng)時(shí)可能發(fā)生數(shù)字上溢或下溢。

在選擇換算系數(shù)時(shí)自動(dòng)換算工具被證明是非常有用的。這些工具能夠非常容易地確定仿真期間是否會(huì)發(fā)生上溢或下溢。圖4是來自Simulink定點(diǎn)用戶接口工具的輸出例子。在這個(gè)例子中，數(shù)據(jù)記錄顯示了仿真過程中信號(hào)獲得的最小和最大值。在這種情況下，所有信號(hào)都在范圍之內(nèi)。如果發(fā)生上溢或飽和，數(shù)據(jù)記錄會(huì)標(biāo)志這一事件，從而促使設(shè)計(jì)工程師調(diào)查問題原因，并選擇新的正確的換算系數(shù)。

如果需要額外的保護(hù)，設(shè)計(jì)師可以使用由Simulink在模塊參數(shù)對(duì)話框中提供的飽和設(shè)置在計(jì)算中增加上溢保護(hù)。飽和檢查對(duì)生成代碼的效率來說非常重要，下面的結(jié)論部分將提到這一點(diǎn)。

產(chǎn)品ECU程序的結(jié)果

Visteon動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用于發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的產(chǎn)品化浮點(diǎn)和定點(diǎn)的應(yīng)用。對(duì)開發(fā)過程來說最大的好處是顯著減少了時(shí)間和成本。在有個(gè)案例中，Visteon公司在三個(gè)月內(nèi)就完成了ECU軟件的開發(fā)，如果采用手工編碼方案的話起碼要6個(gè)月。

圖4：自動(dòng)換算工具和記錄結(jié)果例子。

與人工編碼相比，浮點(diǎn)自動(dòng)代碼的效率也有所提高，使用的RAM和ROM空間要少5%左右。定點(diǎn)自動(dòng)代碼效率幾乎接近手工編碼效率。在對(duì)導(dǎo)航程序中定點(diǎn)代碼的初始分析過程中，Visteon公司將對(duì)前面討論過的飽和檢查進(jìn)行確認(rèn)，這將對(duì)定點(diǎn)代碼效率起關(guān)鍵作用。如果每次定點(diǎn)計(jì)算都激活了飽和檢查，那么代碼長(zhǎng)度會(huì)有顯著增加。然而，如果象在手工編碼中做的那樣只在需要時(shí)做飽和檢查，那么生成代碼所需的RAM和ROM空間基本上等于手工編碼所需的空間。

另外需要注意的是，為了確保獲得高質(zhì)量的代碼，開發(fā)人員仍要使用靜態(tài)分析工具和MISRA檢查器對(duì)自動(dòng)代碼進(jìn)行檢查。