使用基于模型的設計進行早期驗證和確認

MATLAB 簡化了線性控制設計，但是在實際應用中，系統(tǒng)很少是線性的。因此，即使在設計了控制器后，對其進行測試和調(diào)整仍然意味著需要構(gòu)建系統(tǒng)的硬件原型，并對算法進行編碼?；蛘?，因為沒有樣機而無法進行測試，只有等到開發(fā)流程后期才能開展測試活動。

為了將算法應用到硬件之前驗證這些算法，工程師們借助數(shù)值技術(shù)來仿真控制算法對系統(tǒng)（也稱為“對象”）的控制行為。控制工程師們學習編寫 C 或 Fortran 程序來嘗試構(gòu)建系統(tǒng)模型，借用他們認為可能會適用于其系統(tǒng)類型的數(shù)值積分例程，在系統(tǒng)模型程序中復制其控制算法，并仿真整個系統(tǒng)。如果要使系統(tǒng)完全正常工作，那么整個仿真-開發(fā)流程需要耗費大量時間并且極具挑戰(zhàn)性。

The MathWorks 在 1990 年發(fā)布了Simulink，一種用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模和仿真的軟件環(huán)境。在控制設計中使用 Simulink 可帶來兩大好處。首先，該軟件提供了一種直觀的框圖環(huán)境，可用于對算法和對象以及可能影響系統(tǒng)行為的非線性實際效果進行建模。其次，該軟件包括一個基于一流數(shù)值積分方法創(chuàng)建的仿真引擎。這些核心功能極大地簡化了控制工程師通過仿真來驗證控制算法的工作。但是控制工程師們?nèi)匀槐仨氃谧詈髮λ惴ㄟM行編碼，以在硬件樣機或?qū)嶋H系統(tǒng)上測試這些算法。

大約五年后，隨著 Simulink 模型自動代碼生成的推出，此流程變得簡單得多。對于調(diào)試和測試在原型系統(tǒng)中運行的代碼，控制工程師們不必再擔心將算法模型轉(zhuǎn)換為代碼時出現(xiàn)錯誤。

控制工程發(fā)展的下一步曾是個很大的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品級的代碼生成。快速原型代碼通常包含許多調(diào)試例程、數(shù)據(jù)收集代碼、主機-目標通信代碼以及用于交互測試的其他補充代碼。一般而言，這些代碼的優(yōu)化程度不足以將其運用在可交付使用的系統(tǒng)中。代碼生成工具經(jīng)過改進后，可以生成高效率的代碼，足以部署到產(chǎn)品級嵌入式系統(tǒng)中。今天，許多行業(yè)都認為從控制模型自動生成產(chǎn)品級代碼是最佳的做法。

Model-Based Design（基于模型的設計）

處理器速度和內(nèi)存的快速增加有助于在桌面上開發(fā)建模、仿真和代碼生成工具，同樣也使嵌入式軟件開發(fā)人員可以改進嵌入式控制器的功能和復雜性。此步驟繼而推動了這樣一種需求：即使用文本編輯器和調(diào)試器的傳統(tǒng)代碼開發(fā)技術(shù)不再是一種局限，未來的設計將以模型為中心。這種以模型為中心的開發(fā)方法稱為 Model-Based Design（基于模型的設計）（圖 1）。

圖1：以模型為中心的開發(fā)方法稱為 Model-Based Design（基于模型的設計）。

通過基于模型的設計，團隊可根據(jù)書面需求使用模型開發(fā)其設計。由于采用了仿真引擎，因此這些模型成為“可執(zhí)行的規(guī)范”。對于開發(fā)和檢查規(guī)范的團隊而言，“規(guī)范可執(zhí)行”是個極大的好處。檢查完高級模型后，可使用設計詳細信息修改模型，以便將其轉(zhuǎn)換為代碼。從詳細設計模型自動生成代碼極大優(yōu)化了實現(xiàn)過程，并避免了從設計到代碼轉(zhuǎn)換過程中引入錯誤的可能。

傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和V 型圖一致（圖 2）。

圖2：傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和V 型圖一致。 [!--empirenews.page--]

此過程使所有驗證和測試都位于 V 型圖右側(cè)，即完成設計和實現(xiàn)之后。對于基于 C 代碼的傳統(tǒng)嵌入式控制開發(fā)流程，集成測試通常在其他形式且級別逐漸提高的測試（例如硬件在環(huán)測試以及全系統(tǒng)測試）之前。雖然此開發(fā)順序有助于組織復雜的系統(tǒng)設計，但還是有一些缺點：該順序直到開發(fā)末期才考慮驗證和測試，而此時修復所找到的任何錯誤都要付出最高代價且最耗時；用戶必須實現(xiàn)所有組件后才能測試系統(tǒng)；并且該順序未能考慮開發(fā)過程中的迭代。

通過基于模型的設計，可以將驗證作為并行活動，貫穿整個開發(fā)流程（圖 3）。

圖3：通過基于模型的設計，可以將驗證作為并行活動，貫穿整個開發(fā)流程。

在開發(fā)流程的每一步進行測試和驗證，意味著可在引入錯誤之處發(fā)現(xiàn)這些錯誤。與傳統(tǒng)的 V 型圖流程相比，可以更快地重復、修復和驗證設計。那么該如何著手實現(xiàn)早期驗證，從而減少在開發(fā)末期花費在測試和調(diào)試設計上的時間呢？下文概述了一些最佳做法。

模型驗證和確認

基于模型的設計實現(xiàn)驗證和確認的主要方式是通過在仿真的過程中進行測試。雖然許多組織都進行某種形式的建模，但是大多是以專門的方式應用仿真，因此無法在最大程度上實現(xiàn)潛在的驗證好處。單靠仿真無法發(fā)現(xiàn)所有錯誤；但這是一個巨大的進步，您幾乎在開始設計模型時就可以進行仿真。建模環(huán)境中的迭代快速且方便。

對各個組件進行建模非常有用，可能是完成復雜設計所必需的；然而，不要因為這種優(yōu)勢，就不再對將在其中運行組件的系統(tǒng)或環(huán)境進行建模。通過在單一環(huán)境中對整個系統(tǒng)進行建模，您可以快速了解組件功能與其他組件的交互方式，以及集成組件在已部署的系統(tǒng)或環(huán)境中的行為方式?？赡軙l(fā)現(xiàn)對組件或其他方面的遺漏需求。通過使系統(tǒng)模型還原為迭代一個組件時的狀態(tài)，可以評估設計迭代對系統(tǒng)功能的影響。

與設計和開發(fā)同時進行測試有助于檢測出潛在問題，并可顯著減少修復這些問題的成本和時間。通過在開發(fā)模型期間考慮測試，可使設計更適合于進行測試，從而確?？蓪υO計進行完整測試。此原則的應用范圍遠不止嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，但是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員卻常常忽視了此原則。原因是用戶以為可以在軟件中完成任何事情，也可能是文檔化的開發(fā)流程忽視了此原則。然而，與新型靈活的軟件開發(fā)流程一樣，在設計模型之前或與設計模型并行開發(fā)測試是最佳做法。

幾乎每種測試方案都涉及到某些變數(shù)：輸入、對象參數(shù)、環(huán)境因素或其他要素。時間和開支通常限制了測試方案的靈活度；然而，通過在仿真環(huán)境中進行測試，您可以更加快速且并行（如果處理能力夠用）地仿真測試案例。在仿真中探查整個參數(shù)空間還可以縮小要實時運行的關(guān)鍵測試的范圍。

每個組織都有針對設計和實現(xiàn)的標準或最佳做法。這其中有許多標準并未形成文檔，但是卻被關(guān)鍵人員銘記在心。使標準書面化并將標準檢查加入模型開發(fā)流程是很簡單的做法，但卻可以產(chǎn)生巨大的影響，因為這樣做可盡早減少“愚蠢”錯誤的數(shù)量，確保模型在團隊成員之間共享時更具可讀性，并且更加容易在將來進行維護。對標準進行建?？梢苑浅：唵危ㄈ珧炞C所有輸入和輸出是否已連接），也可以非常復雜（如是否滿足行業(yè)標準）。關(guān)鍵在于開發(fā)一致的檢查，然后在整個組織中推動對這些檢查的遵從性。

確定測試組件何時能夠滿足需要通常不僅是一門科學，更是一門藝術(shù)，因為您通常要根據(jù)設計或測試工程師的判斷來確定。對于軟件組件，許多團隊使用代碼覆蓋率作為更客觀的標準來衡量測試的完整性。您同樣可以將模型覆蓋率用于模型測試。覆蓋率用于衡量您在測試過程中測試了模型中（或源代碼中）的多少邏輯。修改的條件/決策覆蓋率是一種針對覆蓋率的嚴格衡量標準，得到廣泛接受。

大多數(shù)質(zhì)量標準的核心原則是進行文檔化。把需求，流程。結(jié)果記錄下來。如果不進行記錄，則不可能跟蹤做過的事情；不可能向別人（如客戶）證明您滿足了他們的需求；也不可能重復您的結(jié)果。雖然記錄通常很單調(diào)乏味，但是有許多工具可通過生成標準報告，來幫助自動記錄活動。在您以后發(fā)現(xiàn)問題或希望重復使用設計時，良好的記錄可幫助您節(jié)省時間，這也是非常重要的。

代碼驗證

這些做法是在模型級別開始早期驗證的良好起點。最后，需要實現(xiàn)并部署到產(chǎn)品化硬件上。此時，代碼驗證成為重點。基于模型的設計可以提供哪些幫助呢？

自動代碼生成是一種非常有用的方法。通過在模型級別驗證您的設計，然后直接從模型生成代碼，您只需要驗證模型和代碼是否等效。這是一種理想狀態(tài)的工作流程。在實際情況中，有時不可能從模型生成需要的所有代碼。您可能使用傳統(tǒng)流程開發(fā)了一些中間件和設備驅(qū)動程序代碼，或是可能將舊有代碼用于某些功能。對于這些情況，可通過一些其他的最佳做法來驗證代碼。

用戶幾乎可以在任何位置測試硬件；然而，硬件通常沒有與仿真中的測試有連接。許多因素都可能導致這種沒有聯(lián)系的情況：在硬件上運行測試的小組與對設計建模的小組不是同一批人，在實驗室中運行的軟件與設計中的軟件也不相同。然而，當您在模型上運行的測試與在實驗室中運行的測試相同時，您就可以確切地了解設計在實驗室中的執(zhí)行情況。若要驗證代碼是否等效于設計模型，您可以將相同的測試工具用于模型測試，來測試已編譯并在嵌入式目標上運行的模型軟件實現(xiàn)。同時對組件設計模型和嵌入式目標上的代碼運行測試是一種協(xié)同仿真步驟，稱為 PIL（處理器在環(huán)）測試?，F(xiàn)在，可以使用一些工具在軟件上執(zhí)行測試（開發(fā)人員在主機（如 PC）上創(chuàng)建的測試），同時也在嵌入式處理器上運行測試。將嵌入式代碼與原始模型的測試結(jié)果進行比較，可幫助您確保組件的行為在編譯和下載后保持不變，并確保代碼可正確運行。

嵌入式代碼中的運行時錯誤特別難以發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)后，又難以進行調(diào)試。這類例子包括溢出和下溢、被零除和其他算術(shù)錯誤、超出范圍的數(shù)組訪問、非法取消引用的指針、對非初始化數(shù)據(jù)的只讀訪問以及危險的類型轉(zhuǎn)換等。直到最近，基本上只有三種選擇可用于檢測嵌入式軟件中的運行時錯誤：代碼檢查、靜態(tài)分析器和試錯法動態(tài)測試。代碼檢查所需的人工工作量很大，通常不適用于大型的復雜應用程序。靜態(tài)分析器可發(fā)現(xiàn)的問題相對較少，更重要的是，無法診斷大多數(shù)源代碼。動態(tài)（或“白盒”）測試要求您編寫并執(zhí)行大量測試用例。如果測試失敗，可能難以調(diào)試問題?；谛问津炞C的代碼驗證工具可以證明不存在運行時錯誤，并可為代碼的可靠性提供強有力的保證。當在開發(fā)流程中使用代碼驗證工具進行測試時，這些工具還可提供其他技術(shù)，用于發(fā)現(xiàn)在后期測試階段中難以發(fā)現(xiàn)并需要花費很高代價進行更正的設計和實現(xiàn)錯誤。

系統(tǒng)建模和仿真工具（如 Simulink）可幫助優(yōu)化設計和驗證復雜算法的任務，而無需昂貴的硬件。摒棄手工編碼、難以維護的仿真后，控制設計人員可以快速開發(fā)復雜算法和系統(tǒng)模型，并在將算法應用到硬件上之前測試這些算法。經(jīng)過多年經(jīng)驗的積累，現(xiàn)在已形成了可提供自動代碼生成的方法，以支持原型系統(tǒng)中的實時測試并在以后用于可部署的嵌入式代碼?，F(xiàn)在，基于模型的設計已廣泛應用于各種領(lǐng)域，包括控制、圖像處理、音頻、通信和信號處理。

基于模型的設計的一個主要好處在于，我們有機會隨所有其他開發(fā)步驟（尤其是在開發(fā)流程早期）一起，并行地進行嚴格驗證和確認?；谀Ｐ偷脑O計的采用者通過不懈的實踐已發(fā)現(xiàn)了一系列最佳做法，使用這些最佳做法可以在最大程度上獲得這種設計帶來的好處。這些做法（特別是隨模型一起開發(fā)測試并在代碼和硬件上重復使用模型測試）可以顯著降低開發(fā)項目由于在流程后期發(fā)現(xiàn)錯誤而導致未能達到質(zhì)量或交付目標的風險。