快速原型及其集成开发环境技术在汽车电子领域的应用

    1、应用背景
    （1）汽车电子在汽车工业中的重要位置
    随着汽车工业的飞速发展，汽车在工艺和制造技术上越来越复杂和精密，同时人们也希望汽车更安全、更经济、操作性更加灵活方便。传统的机械控制由于速度慢，可靠性低已经不能够满足现代需要，因此现代汽车大量采用电子控制技术来提高整车性能。国际上汽车电子产品在整车成本中所占的比例平均超过30%并呈快速上升趋势，汽车电子在现代汽车工业中已经有越来越重要的地位。

    （2）快速原型方法提出的背景
    现代市场对产品的需求呈现多样性和快速性的趋势，对控制系统安全必和可靠性的要求也与日俱增，为了在激烈的市场竞争中取胜，必须不断地缩短新产品开发与投入市场的周期，这就出现了企业新产品面临着多样性的需求和快速开发之间的矛盾。为了设计可靠的控制系统，满足用户的多样化需求，缩短项目开发周期，降低产品开发费用，需要采用先进的开发工具来加速设计流程，从而找到新的途径获得技术上的突破。使用快

速原型方法与集成开发环境技术来进行控制系统开发的目的就是为了缩短开发周期，在行业竞争中能够快速开发新产品，从而获得最大的经济效益和市场益。

    2、传统控制系统开发过程与使用快速原型方法进行开发的比较
    快速原型方法是现代控制系统开发方式催生的产物，通过与传统控制系统开发方法的比较，我们可以看出快速控制原型方法在控制系统设计开发中的优越性和先性性。
  
    （1）图1所示是传统控制系统开发方法流程，开发步骤如下：
    ●根据需求用文字说明的方式提出设计目标；
    ●根据以往开发经验提出系统结构；
    ●由硬件人员设计并制造硬件电路；
    ●由控制工程师设计控制方案，并将控制模型用方程的形式描述出来；
    ●由软件人员采用手工编程的方式实现控制模型；
    ●由系统工程师或电子技术专家将代码集成到硬件电路中；

图1 伟统控制系统开发方法流程

    ●用真实控制对象或测试台进行测试。
 
    传统控制系统开发存在的不足；
    ●在对控制规律的控制特性或控制效果还没有把握的情况下，已经完成硬件电路的制造，这时，由于还无法确定所设计的方案能在多大程度满足需求，或根本不能满足需求的情况下，就已经产生了较大的硬件投入；

    ●手工编制的控制程序容易造成系统可靠性降低，一旦在测试过程中出现故障，就很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是手工编程将会占用大量的时间，导致虽然有了控制方案，却要等待很长时间才能对其进行验证和测试，从而在不知道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间，人才和物力，给开发带来了不必要的开支和经济损失；

    ●即使软件编程不存在问题，如果在测试过程中发现控制方案不理想，需要进行修改，则新一轮开发工作又将开始。大量的时间又将耗费在软硬件的修改和调试上。另外，由于涉及的部门多，再加上管理不善所引入的种种不协调，导致开发周期长，最终可能出现产品虽然研制成功了，但初始需求已经发生了变化，市场的机会已经错过，产品已没有了销路，从而使整个开发以失败告终。
 
    （2）快速原型开发方法及流程
    基于模型设计面向目标应用系统的快速原型开发方法最重要的特征就是采用计算机辅助控制系统设计，即将计算机支持的工具贯穿于控制系统开发和测试的全过程。应用快速原型方法进行控制系统开发，一般由下列步骤组成（如图2所示）：

    ●系统需求与分析
    在传统的控制系统设计方法中，这一过程通常是几千字甚至几万字的文字说明。在快速原型开发方法中为了避免文字说明的模糊性及理解性错误，详细说明将采用模型方式。可以用信号流图来进行定义。

    ●控制方案设计
    控制方案的设计不再采用过去的那种先将对象模型简化成手工可以处理的形式，再根据经验进行手工设计的方

式，而是用诸如MATLAB/SIMULINK等计算机辅建模及分析软件，建立尽可能准确的控制模型，并进行离线仿真分析，从而避免了传统设计过程中由于模型过于简化，在没有相应的计算机辅助设计工具支持情况下，完成了大量的工作而到了试验阶段才发现所设计的方案根本不能满期足实际对象的控制要求。

图2应用快速原型方法进行控制系统开发

    ●硬件平台
    硬件平台是快速原型方法的重要组成部分，它由CPU与外围扩展电路组成，通过外部功能接口与目标应用系统进行交互，也可以根据实际需求对信号进行调理，从而实现对目标应用系统的控制。

    ●自动代码生成
    用户进行控制算法模型设计后，无须再像过去那样来等待软件工程师进行手工编程，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制模型框图转换为目标系统代码，从而快速实现控制系统的原型。自动生成的代码可以节省大量的系统开发时间，可靠性高，但是运行效率比手工编程低。对大多数工程师而言，如果能够加快开发速率，损失代码的部分实时运行效率是

可以接受的。而且这个问题可以通过后期进行的自动代码优化功能得以改善。
 
    ●实时仿真与测试
    在系统开发阶段完成之后，就可以利用计算机辅助试验测试工具软件进行各种试验，以检验控制方案对实际对象的控制效果，并随时修改控制参数，直到得到满意的结果为止。即使需要对模型作很大修改，从修改到下一次对原型的测试也只需要几分钟的时间。从而在最终实现控制方案之前，就已经对可能得到的结果有了相当的把握，避免了过多的资源浪费和时间消耗。
 
    ●硬件在环仿真
    硬件在环仿真的目的是通过对实际情况进行模拟从而对控制模型在各种条件下做出全面测试。它的优点是可以通过在对故障情况和极限条件下的测试找出控制装置的设计缺陷，从而缩短开发周期，降低相关维护费用。

    3、集成开发环境技术

    3.1集成开发环境的功能
    在传统控制系统软件开发过程中，开发的不同阶段需要用到不同的软件，开发者必须在几种软件间来回切换操作，效率比较低。而随着市场需求的增长，系统开发复杂度愈来愈高，特别在大型控制系统的开发中，企业必须选择优秀的开发工具以保证工程质量，从而能够按时交付和实现成本控制。集成开发环境正是这样一个将编辑、编译、调试、仿真等功能集成在一个桌面环境中，既方便了用户，又提高了工程质量和开发速度。

    基于快速原型方法的集成开发环境功能包括：提供控制操作界面；建立控制模型；通过上位机与目标CPU的接口浏览目标CPU硬件平台状态和信息；集成MATLAB/SIMULINK进行仿真建模；集成RTM对SIMULINK所构建的模型进行自动代码生成;集成编译器、链接器、调试器等对生产的代码进行交叉编译，调试，从而对目标CPU进行控制；集成控制界面，用于实现对所给定参数的测试和优化；模拟仿真应用系统控制算法；通过硬件调试接口将生成的目标CPU的机器代码下载到硬件平台；实时调试运行应用程序等等。
 
    3.2使用集成开发环境进行快速原型控制系统开发的特点
    使用集成开发环境进行快速原型控制系统开发这种开发模式方便、快捷。通过使用图形化界面的模型框图，输入计算公式、经验公式来编制开发程序，再由系统自动将其编译成目标代码的方式可以大大提高效率。应用程序经过反复模拟仿真、实时调试运行成功后被装入硬件平台。一些特定、重复任务的应用程序被生成模块化的库文件以备调用。模块化的应用程序可以实时在线导入导出而丝毫不影响系统的正常运行。这样使用集成开发环境对快速开发和实时数据分析实现了从想法提出到建模直至进行控制的一体化过程。

    4.国外汽车电子行业快速原型集成开发环境的情况

    4.1dSPACE
    dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/SIMULINK的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台。广泛应用于航空航天、汽车电子、电力、机车、机器人、驱动及工业控制等领域。该系统由硬件组成和基于这些硬件组件的软件开发工具集组成。它通过设计标准组件，提供组件的不同组合来适应不同的应用系统；通过使用MATLAB

、SIMULINK、RTW来提供对硬件接口的支持；使用自动代码生成和下载工具，减少了软件代码编写和修改的时间，体现了现代开发方法的快速性；同时提供产品控制器与dSPACE系统纳入闭环测试中，易于原型设计到产品的转换。

    dSPACE为控制工程项目的开发和测试提供软硬件平台，应用十分广泛，许多汽车工业的用户都使用dSPACE作为开发测试的工具，如Audi公司用dSPACE实现了ABS控制器测试台；Ford、General Motors、Honda、Toyota  Motor、Nissa、Mazda Motor等公司用dSPACE进行动力控制原型的开发；德国Adtranz公司则用dSPACE实现了电力机车的仿真。
 
    4.2  MOBIES
    MOBIES是由美国国防部国防高技术研究项目局的信息处理技术办公室（IPTO）资助的项目。旨在为嵌入式系统开发提供一个基于模型的软件组成件集成技术。此项目注重建模工具、系统分析和代码生成技术的研究。在建模工具的使

用、软件规范性和通用性等方面提出了很多先进的思想。
                                                                                                                 
    MOBIES项目试图从更抽象的层面上来建立组件库，同时定义整个嵌入式软件工具集中通用的内部规范格式，贯穿于从需求分析、建模、仿真分析到代码生成的各个阶段，以此达到满足多领域的控制系统设计需求的目的。
 
    4.3  OpenECU
    OpenECU系统主要面向汽车电子领域的软硬件开发，由英国Pi Technology公司开发研制，该系统通过使用MATLAB/SIMULINK来快速开发控制系统。

    OpenECU系统包括：ECU硬件开发板，ECU硬件小批量生产板，配套开发软件，汽油发动机基本控制策略，自动代码生成以及一些其他工具。它的典型应用包括：汽油发动机ECU开发（适用于1~8缸），变速箱控制开发，混合动力能量管理控制系统，自动驾驶控制系统等。

    4.4国内快速原型与集成开发环境技术研究情况
    国内在快速原型与集成开发环境技术方面的开发研制基本上是一片空白。在汽车电子领域中以使用国外相关产品，主要是dSPACE为主，还未形成研制、生产具有自主知识产权的产品的局面。同国外快速原型系统与集成开发环境的开发相比还存在着很大的距离，开发出自主系统对我国汽车工业的发展具有重要意义。

    5.技术路线和结构设计
    通过以上介绍，可以看出在控制系统设计开发领域，基于快速原型集成开发环境的开发方法比传统的开发方法具有较大的优势。不仅具有快速开发、实时性和可靠性高的特点，而且能够做到模块化、自动化和可定制化。

    5.1采用的技术路线
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sp;   要实现快速控制原型，必须有集成良好便于使用的建模、设计、离线仿真、实时开发及测试工具，允许用户反复修改模型设计，进行离线及实时仿真。为了实现上述目标，我们在集成开发环境当中使用MATLAB/SIMULINK等工具建立控制系统模型，利用RTW（Real  time workshop）产生控制算法的C代码，与我们自己编写的目标环境相关的代码同时通过目标系统的交叉编译器进行编译生成目标系统可执行文件，下载到快速控制原型的硬件系统中进行调试分析，进行参数标定，并通过硬件的实时测试不断修改控制方案和算法，从而达到最优控制效果。（如图3）

图3基于快速原型与集成开发环境技术的系统原理框图

    5.2 硬件平台
    由于车载CPU处于一个强振动，高电磁辐射的环境当中，这就要求硬件平台要有很强的搞振动，抗高温，抗电磁干扰的能力，并具有高度的灵活性和可靠性，能够在高速移动的苛刻环境下工作，而且考虑到当今汽车电子应用的主流，我们选用了专为汽车电子、航空航天、智能系统等高端嵌入式控制系统所设

计的32位微控制器MPC555为基础的硬件平台。同时，用户还可以根据实际需求选择外围接口电路，从而达到可定制的要求。

    5.3集成开发环境
    系统以集成开发环境为基本的软件平台，在此平台上集成以下组件和模块：
    ●基于PowerPC平台的交叉编译器；
    ●基于交叉编译器的C语言库函数；
    ●基于MATLAB/SIMULINK的建模枋真的控制软件；
    ●基于RTW的自动代码生成工具；
    ●标准I/O驱动模块。

    6.结束语
    快速原型与集成开发环境技术在国内还处于起步阶段，从技术实现角度来说，由于世界范围内硬件市场相对开放的局面，在硬件选型上有很大的自由，而软件的各种控制模块技术以及核心算法掌握在少数处于垄断地位的大公司手中，因此要确保软件从底层开发，掌握核心技术势在必行。

摘自：中国自动化网