任佳麗，曹海燕

（1．山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，太原030031；2．太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，太原030024）

隨著嵌入式系統(tǒng)日益廣泛的應(yīng)用，越來越短的產(chǎn)品周期與不斷增加的客戶需求，使得手工編程的嵌入式軟件設(shè)計(jì)很難勝任新的開發(fā)需求。手工編寫的代碼容易產(chǎn)生bug，查找和解決這些問題不僅要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致軟件的重新開發(fā)。對(duì)于安全性要求較高的產(chǎn)品，出現(xiàn)bug甚至?xí)P(guān)系到人身安全。因此，近年來汽車電子行業(yè)的一些龍頭企業(yè)已經(jīng)用代碼自動(dòng)生成的方法逐步取代傳統(tǒng)開發(fā)模式下的手工編程，收到了良好的效果［1］。但是目前的工具僅對(duì)少數(shù)型號(hào)的微控制器提供完整支持，如TIC2000微控制器［2］，而實(shí)際應(yīng)用中由于客觀需要微控制器的品種繁多，不同型號(hào)微控制器在功能、性能、封裝等方面很少兼容，給眾多用戶使用自動(dòng)代碼生成的開發(fā)方法帶來了不便。本文通過汽車天窗控制器的設(shè)計(jì)，探索了用自動(dòng)代碼生成和手工代碼整合進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)的方法，適用于各種型號(hào)微控制器嵌入式控制軟件的開發(fā)。

1 汽車天窗控制器的電路結(jié)構(gòu)及原理

天窗控制器主要有微控制器、按鍵、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、霍爾傳感器等電路組成，電路框圖如圖1所示。瑞薩電子的μPD78F0881單片機(jī)作為主控芯片，通過運(yùn)行嵌入式控制軟件，檢測(cè)按鍵和霍爾傳感器的信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成天窗水平開、水平關(guān)、斜升、斜降等動(dòng)作；按鍵按下的時(shí)長(zhǎng)控制電機(jī)電動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行；霍爾傳感器用于檢測(cè)天窗運(yùn)行過程中是否遇到障礙物，是否需要停止天窗運(yùn)行或使其反向運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)防夾功能；LED燈指示天窗的位置狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 天窗控制器電路框圖

2 建立控制器模型

系統(tǒng)仿真模型包括控制器模型和被控對(duì)象模型?？刂破髂Ｐ褪请娮涌刂茊卧狤CU中所有控制算法的抽象［3］，它的輸入、輸出與ECU的輸入、輸出一一對(duì)應(yīng)，這樣才能保證從模型生成的控制算法在ECU中正常運(yùn)行，以便于在完成仿真調(diào)試后用硬件實(shí)物快速替換控制模型，從而加快開發(fā)進(jìn)程。

2．1 仿真模型框架

在Simulink環(huán)境下建立的天窗控制器仿真模型框架分為信號(hào)輸入、邏輯控制和信號(hào)輸出三部分，如圖2所示，其中核心是仿真微控制器的邏輯控制部分，輸入、輸出部分用于邏輯控制模型的調(diào)試。根據(jù)仿真需要?jiǎng)?chuàng)建多組和實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)，并且滿足時(shí)序要求，圖3所示的就是將點(diǎn)火信號(hào)ignition、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行信號(hào)SO＿TD Switch、自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)SO＿TU Switch、水平滑動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)Slide－PulseCount、斜向滑動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)TiltPulseC－ount、遇阻信號(hào)Obstacle和定時(shí)器信號(hào)timerCfg按照一定的時(shí)間和邏輯關(guān)系進(jìn)行組合的一組輸入信號(hào)，仿真時(shí)就將選中的一組輸入信號(hào)輸入到邏輯控制模型中。通過Display、Scope等模塊可以仿真觀察輸出，其中Scope模塊即示波器模塊，是將邏輯控制模型輸出的控制信號(hào)及其時(shí)序以二維圖形顯示出來，其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間軸，縱坐標(biāo)表示信號(hào)。打開Scope輸出窗口，模型仿真運(yùn)行時(shí)就可以看到如圖4所示信號(hào)波形。圖中信號(hào)為1時(shí)表示燈被點(diǎn)亮，為0時(shí)表示燈熄滅。

圖2 天窗控制器仿真模型框架

圖3 一組輸入信號(hào)的邏輯時(shí)序圖

圖4 通過Scope模塊觀察輸出信號(hào)波形圖

2．2 建立邏輯控制模型

圖5 汽車電動(dòng)天窗電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)圖

邏輯控制模型是仿真嵌入式系統(tǒng)中的微控制器。建立邏輯控制的狀態(tài)圖，各種復(fù)雜的邏輯控制關(guān)系都能夠通過狀態(tài)圖完整地表示出來。如汽車天窗控制系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制的邏輯狀態(tài)圖如圖5所示，所實(shí)現(xiàn)的邏輯控制是根據(jù)按下按鍵的持續(xù)時(shí)間判斷應(yīng)該進(jìn)入的執(zhí)行狀態(tài)。按鍵按下時(shí)間小于1 s進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)狀態(tài)（車窗移動(dòng)一下就會(huì)停止）；按鍵按下時(shí)間在1～2．3s之間進(jìn)入自動(dòng)平移狀態(tài)（在無障礙物的情況下，天窗會(huì)自動(dòng)平移至全部打開）；按鍵按下的時(shí)間超過2．3s進(jìn)入手動(dòng)平移模式（按鍵按下時(shí)車窗開始移動(dòng)，釋放按鍵時(shí)車窗停止移動(dòng)）。

Stateflow采用時(shí)間調(diào)度機(jī)制，這樣就可以為時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生成準(zhǔn)確高效的代碼［4］。在狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)使用時(shí)間運(yùn)算符before，after，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)移后狀態(tài)的激活指定調(diào)度邏輯。在模型中使用時(shí)間運(yùn)算符，降低了手工編程時(shí)相對(duì)容易出錯(cuò)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器任務(wù)調(diào)度編排的難度。在Simulink環(huán)境下仿真運(yùn)行時(shí)，正在運(yùn)行的狀態(tài)或發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)的轉(zhuǎn)移箭頭會(huì)高亮顯示，非常便于動(dòng)態(tài)觀察模型運(yùn)行。

3 代碼自動(dòng)生成及代碼整合

3．1 代碼自動(dòng)生成

代碼自動(dòng)生成是將Simulink環(huán)境下建立的模型通過RTWEC轉(zhuǎn)換成C程序代碼，生成的代碼結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行效率高［3］。首先模型經(jīng)過Simulink的編譯器生成rtw中間文件；rtw文件經(jīng)過TLC編譯器生成C語(yǔ)言代碼，最后通過C編譯器得到最終的可執(zhí)行程序。rtw文件包含了模型中的有用信息，包括模型中的參數(shù)、變量、模塊名稱等。TLC編譯器編譯過程中將控制代碼用Simulink模型中的變量和參數(shù)代替，與原有的文本一起生成C代碼。但是對(duì)于RTWEC沒有提供完全支持的單片機(jī)而言，就無法對(duì)單片機(jī)底層（如I／O端口等）有關(guān)的一些模型進(jìn)行代碼生成，如天窗控制模型中的信號(hào)輸入、輸出部分?？捎肦TWEC只對(duì)控制邏輯最為復(fù)雜的控制器模型進(jìn)行代碼自動(dòng)生成，而手工編寫輸入、輸出模型的底層驅(qū)動(dòng)代碼，最后整合這兩部分代碼。

控制器模型仿真調(diào)試完成后還需要在Simulink環(huán)境中進(jìn)行有關(guān)參數(shù)設(shè)置。最主要的設(shè)置有：

1）設(shè)置模型中輸入、輸出的變量名和屬性，在編寫底層驅(qū)動(dòng)代碼時(shí)這些變量要和微控制器的輸入輸出硬件相對(duì)應(yīng)。

2）在Configuration Parameters選項(xiàng)下選擇求解器為離散型（discrete），目標(biāo)系統(tǒng)文件選ert．tlc文件，其它參數(shù)一般情況下可用默認(rèn)選項(xiàng)。自動(dòng)生成的源代碼文件存放在默認(rèn)路徑Sunroof＿ert＿rtw下，其中Sunroof．c文件中包含了Sunroof＿initialize子函數(shù)（初始化函數(shù)）和Sunroof＿step子函數(shù)（實(shí)現(xiàn)模型在一個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)所有的控制算法），Sunroof．h、Sunroof－private．h、Sunroof－types．h、rtwtypes．h等文件是對(duì)參數(shù)、變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和聲明。

3．2 代碼整合

由于自動(dòng)代碼生成軟件只完整支持少數(shù)型號(hào)的微控制器，而在實(shí)際應(yīng)用中由于性能、成本等的不同要求，使得微控制器的品種繁多，不同型號(hào)微控制器在功能、性能、封裝等方面很少兼容。針對(duì)這一問題，手工編寫程序框架和硬件系統(tǒng)的初始化代碼，然后和自動(dòng)生成的代碼進(jìn)行有機(jī)整合后的程序，就是適用于所設(shè)計(jì)硬件的嵌入式控制軟件。使用控制模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代碼生成時(shí)，手工編程者只需要考慮模型的接口，在模型中加入對(duì)應(yīng)的模塊即可。整合完成就可以編譯代碼并下載到目標(biāo)板。

整合后的嵌入式代碼的框架為一個(gè)循環(huán)程序，不斷循環(huán)執(zhí)行自動(dòng)生成的邏輯控制代碼。整合過程中要保證定時(shí)器的時(shí)鐘周期與模型仿真時(shí)的固定步長(zhǎng)一致，模型中的輸入、輸出變量名與所用單片機(jī)的端口要對(duì)應(yīng)。在整合后的源代碼文件Controlmain．c中，斜體代碼表示和自動(dòng)生成代碼有關(guān)的內(nèi)容。Control－main．c 和 Sunroof．c、Sunroof．h、Sunroof－private．h、Sunroof－types．h、rtwtypes．h一起編譯后就生成了可執(zhí)行的天窗控制器的嵌入式控制軟件。

Control－main．c的部分源代碼如下：

…

＃include"Sunroof．h" ／＊自動(dòng)生成的頭文件＊／

＃include"Sunroof－private．h" ／＊自動(dòng)生成的頭文件＊／

＃include"rtwtypes．h" ／＊自動(dòng)生成的頭文件＊／

＃include"Sunroof－types．h" ／＊自動(dòng)生成的頭文件＊／

…（此處省略中斷初始化程序、脈寬定時(shí)器中斷程序以及端口初始化程序）

／＊定時(shí)器中斷程序，需放入自動(dòng)生成的代碼＊／

－－interrupt void MD－INTTMH0（void）

｛

Sunroof－U．SO－TD－Switch＝～P8．5；／＊WU1＊／

Sunroof－U．SC－TU－Switch＝～P8．3；／＊WU2＊／

Sunroof－U．SlidePulseCount＝503；

Sunroof－U．TiltPulseCount＝94；

Sunroof－step（）；／＊自動(dòng)生成的Sunroof．c文件中的函數(shù)＊／

P3．2＝Sunroof－Y．MotorPort32；

P6．1＝Sunroof－Y．MotorPort61；

P1．2＝～Sunroof－Y．LightYellow；

P1．1＝～Sunroof－Y．LightGreen；

P1．0＝～Sunroof－Y．LightRed；

｝

…

void SystemInit（）

｛

DI（）； ／／關(guān)中斷

PortInit（）；

TMH0－Init（）；

init－INTP6（）；

init－INTP7（）；

init－INTP4（）；

EI（）；∥開中斷

｝

void main（void）

｛

SystemInit（）；

Sunroof－initialize（）；／＊自動(dòng)生成的 Sunroof．c文件中的函數(shù)＊／

while（1）；

｝

4 結(jié)束語(yǔ)

在汽車天窗控制器的設(shè)計(jì)中采用基于模型的開發(fā)方法收到了良好的效果。通過對(duì)模型充分調(diào)試后，自動(dòng)生成邏輯控制部分的代碼，然后手工編寫底層硬件初始化和驅(qū)動(dòng)程序，將兩部分代碼合理整合，完成后的天窗控制軟件運(yùn)行正確可靠，提高了開發(fā)的效率和正確性。特別是針對(duì)使用RTWEC不提供支持的微控制器芯片，通過這種代碼自動(dòng)生成和整合的方法，為廣泛采用基于模型的嵌入式軟件開發(fā)進(jìn)行了有意義的嘗試。

［1］ Jimming Yang，Jason Bauman，Al Beydoun．Implementation of Auto－Code Generation in Legacy Code for Body Control Software Applications［C］∥SAE World Congress，2008．

［2］ 陳金干，魏學(xué)哲．基于DSP的自動(dòng)代碼生成及其在電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2008：43－46．

［3］ 陳永春．從Matlab／Simulink模型到代碼實(shí)現(xiàn)［M］．北京．清華大學(xué)出版社，2002．

［4］ 杭勇，劉學(xué)瑜．利用代碼自動(dòng)生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)電控系統(tǒng)控制算法的開發(fā)［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26（2）：9－12．

［5］ Jinsong Zhang，Qiqiang Li，Qingqiang Guo．A Simulation Method of Controlled Hybrid Petri Nets Based on Matlab Simulink／Stateflow［C］∥Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics，2007（18－21）：2432－3426．