李延紅，張書朋，李 成

（中國重型汽車集團有限公司技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟南 250101）

在汽車嵌入式軟件V模式開發(fā)中，應(yīng)用層代碼一般會采用基于模型的開發(fā) （Model-Based Development，MBD）模式實現(xiàn)。即利用美國邁斯沃克 （MathWorks）公司研發(fā)的工業(yè)標準建模工具MATLAB建立算法模型，經(jīng)過浮點模型和定點模型測試完成后，會通過自動生成代碼工具Embedded coder自動生成代碼。本文對基于模型的開發(fā)MBD模式中大量重復(fù)性操作工作效率低問題，進行自動化腳本工具開發(fā)，并通過發(fā)動機后處理控制算法模型進行腳本工具應(yīng)用驗證。1 基于MBD軟件開發(fā)

隨著汽車嵌入式軟件復(fù)雜程度的增加、系統(tǒng)開發(fā)周期的逐漸縮短，基于MBD軟件開發(fā)模式逐漸替代傳統(tǒng)C代碼開發(fā)方式?；贛BD軟件開發(fā)模式可以用建模工具對復(fù)雜邏輯進行設(shè)計，使得系統(tǒng)需求分析與軟硬件開發(fā)結(jié)合更加緊密，系統(tǒng)分析可以直接與設(shè)計結(jié)合；在軟件開發(fā)仿真開始，開發(fā)人員就可以調(diào)試邏輯，加快調(diào)試進度；可以自動生成代碼，避免手工編碼方式可能存在的低級錯誤；模型建立后，可利用快速原型仿真，加快需求設(shè)計完善；模型可移植性高，可迅速建立系統(tǒng)設(shè)計模塊庫，節(jié)約開發(fā)成本。

基于MBD軟件開發(fā)流程，開發(fā)汽車嵌入式軟件依次經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計、模型設(shè)計、C代碼生成編譯、硬件代碼生成調(diào)試、硬件在環(huán)、實車測試6個步驟。在實車測試之前，模型設(shè)計階段完成之后，會對應(yīng)系統(tǒng)功能設(shè)計進行MIL（model in the loop，模型在環(huán)）測試，從模型仿真階段驗證模型功能實現(xiàn)滿足系統(tǒng)功能定義；C代碼生成編譯階段完成后，會對應(yīng)模型設(shè)計進行SIL（software in the loop，代碼在環(huán)）測試，從代碼階段驗證模型與生成代碼功能一致性；硬件代碼生成調(diào)試階段完成后，會對應(yīng)C代碼生成編譯階段進行PIL（processor in the loop，處理器在環(huán)）測試，驗證模型與運行在目標處理器上的代碼功能一致性；硬件在環(huán)階段，會對應(yīng)系統(tǒng)功能定義進行HIL（hardware in the loop，硬件在環(huán)）測試，用物理模型控制器和控制模型控制器聯(lián)合驗證是否滿足系統(tǒng)功能定義。基于MBD開發(fā)流程如圖1所示。

由圖1可見，基于MBD開發(fā)嵌入式軟件時，基于系統(tǒng)功能定義準確搭建模型、保證代碼生成與模型一致性是關(guān)鍵。由于要達到準確搭建模型、保證代碼與模型一致，要求按照MBD開發(fā)流程進行大量重復(fù)性操作，因此有必要進行模型開發(fā)自動化腳本工具開發(fā)，以便提高工作效率。

2 基于MBD軟件開發(fā)自動化需求分析

圖1 基于MBD軟件開發(fā)流程

基于MBD流程進行嵌入式軟件模型開發(fā)時，一般經(jīng)過浮點模型搭建、浮點模型規(guī)范化、浮點模型測試、浮點模型多模型檢查、定點模型搭建、定點模型規(guī)范化、定點模型測試、定點模型多模型檢查、代碼生成、代碼測試、代碼集成11個步驟?；贛BD模型開發(fā)流程如圖2所示。

1）步驟1：浮點模型搭建

首先根據(jù)系統(tǒng)功能定義進行浮點double數(shù)據(jù)類型模型搭建，模型復(fù)雜程度隨著功能不同而不同。汽車嵌入式軟件開發(fā)中一般會遵循MISRA C規(guī)范，規(guī)范要求模塊使用和模型可視兩方面。規(guī)范使用Simulink模塊在搭建過程中可以通過使用模型庫來提高效率，由于模塊庫會不斷更新，因此在搭建模型時需要使用最新版本模塊庫。規(guī)范模型可視化對應(yīng)到Simulink中搭建模型時需要將模型分層、信號線上需要顯示信號名稱、信號線需要對齊。由于模型分層會造成不同層子系統(tǒng)之間輸入輸出口需要手動連接，還會造成連接后的信號線凌亂。

浮點模型搭建過程自動化需求為：模塊庫版本確認、懸空的輸入輸出口信號線連接、輸入輸出口信號線對齊、模型頂層信號線上添加變量名稱、非模型頂層信號線上添加信號繼承標志以顯示信號變量名稱、刪除冗余變量。

2）步驟2：浮點模型規(guī)范化檢查

浮點模型規(guī)范化檢查采用Simulink工具Model Advisor來實現(xiàn)。由于Simulink工具Model Advisor檢查涵蓋的規(guī)范較廣，開發(fā)人員很難確定檢查項。

浮點模型規(guī)范化檢查過程自動化需求為：自動調(diào)用Model Advisor和自動選擇符合本項目要求的檢查項來檢查模型規(guī)范符合度。

3）步驟3：浮點模型測試

浮點模型測試過程中會首先用Simulink工具Simulink Design Verifier進行形式檢查，然后用Simulink工具Simulink Test進行功能驗證。由于測試會根據(jù)結(jié)果反復(fù)，需要多次手動打開測試工具，在功能驗證階段多次手動導(dǎo)入測試用例及測試結(jié)果。

圖2 基于MBD模型開發(fā)流程

在浮點模型測試過程自動化需求為：自動調(diào)用Simulink Design Verifier對模型進行形式化檢查、自動調(diào)用Simulink Test搭建測試模型、導(dǎo)入測試用例、運行及保存測試結(jié)果。

4）步驟4：浮點模型多模型檢查

浮點模型多模型檢查主要是核對接口信號是否存在遺漏或者重復(fù)的情況。

在浮點模型多模型檢查過程自動化需求為：批量提取模型接口信號名稱、核對接口信號來源及去處、檢查所有模型中全局系統(tǒng)常數(shù)數(shù)值沖突。

5）步驟5：定點模型搭建

由于浮點模型均是double類型，生成代碼占用空間大且執(zhí)行效率低，因此在保證代碼效率、數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)范圍前提下需要將浮點模型轉(zhuǎn)換為定點模型。浮點模型轉(zhuǎn)換為定點模型過程中需要對每個信號及模塊定標，工作繁瑣且容易產(chǎn)生錯誤。

定點模型搭建過程自動化需求為：建立數(shù)據(jù)對象、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)字典和模型中的數(shù)據(jù)對象、定標整數(shù)常數(shù)模塊為最短長度的整型類型、自動定標輸出線上有測量變量的模塊為“向后繼承”屬性、將子系統(tǒng)設(shè)置為原子子系統(tǒng)。

6）步驟6：定點模型規(guī)范化

定點模型規(guī)范化檢查主要分為用Simulink工具Model Advisor來實現(xiàn)定點部分檢查以及定標合理性檢查。

定點模型規(guī)范化過程自動化需求為：自動調(diào)用Model Advisor檢查、頂層輸入必須有信號且關(guān)聯(lián)、減法輸出類型設(shè)定不為無符號數(shù)、數(shù)據(jù)類型為浮點或超過32位。

7）步驟7：定點模型測試

定點測試方法與浮點測試相同，測試結(jié)果要與浮點測試結(jié)果對比以便核對定點過程中的精度損失是否在允許范圍內(nèi)。

在定點模型測試過程自動化需求為：自動調(diào)用Simulink Design Verifier進行形式化檢查、自動調(diào)用Simulink Test進行功能測試、進行定點模型和浮點模型測試結(jié)果對比。

8）步驟8：定點模型多模型檢查

定點模型多模型檢查主要是核對接口信號及全局系統(tǒng)常數(shù)是否存在數(shù)據(jù)類型沖突。

定點模型多模型檢查過程自動化需求為：批量提取模型接口信號名稱、核對接口信號數(shù)據(jù)類型、檢查全局系統(tǒng)常數(shù)數(shù)據(jù)類型。

9）步驟9：代碼生成

代碼生成通過Simulink工具Embedder Coder來實現(xiàn)，不同經(jīng)驗開發(fā)人員單獨使用代碼生成工具時花費時間不同，造成開發(fā)周期增長；自動生成的代碼中包含全局變量的定義和聲明，導(dǎo)致全局變量會重復(fù)定義和聲明；自動生成的代碼會自動放置在模型所在文件夾下新建‘模型名_ert_rtw’文件夾，導(dǎo)致集成時讀取不方便。

代碼生成過程自動化需求為：自動調(diào)用自動生成代碼模板配置批量生成代碼、將所有模型生成代碼放到一個文件夾。

10）步驟10：代碼測試

代碼測試通過SIL進行，即將模型自動生成的C代碼封裝為可以在MATLAB環(huán)境中執(zhí)行的S函數(shù)模塊，代替定點模型進行測試。

代碼測試過程自動化需求為：自動調(diào)用SIL測試，進行SIL測試和定點模型測試結(jié)果對比。

11）步驟11：代碼集成

代碼集成是將生成代碼放置在代碼編譯環(huán)境中集成，手動操作容易造成版本失誤。

代碼集成過程自動化需求為：生成全局系統(tǒng)常數(shù)聲明文件、自動生成A2L文件。

3 基于M語言的MBD軟件開發(fā)自動化腳本工具實現(xiàn)

3.1 M語言

MALTAB自帶的M語言采用解釋執(zhí)行的方式，繼承了計算、可視化以及數(shù)據(jù)表達式相似的編程環(huán)境，降低編程所需難度并節(jié)省時間。M語言提供的函數(shù)能夠控制模型仿真、獲取和設(shè)置模型及模塊的屬性，還支持模型的打開、關(guān)閉、保存以及模塊的拷貝、移動、刪除及信號線的連接和斷開。

3.2 自動化腳本實現(xiàn)

本文采用M語言編寫各功能函數(shù)，通過GUI可視化界面函數(shù)調(diào)用的方式實現(xiàn)。

1）建模輔助腳本GUI可視化界面

自動化工具可讀性非常重要，本文利用GUI制作了自動化工具運行可視化界面。按照MBD開發(fā)過程中自動化需求逐條體現(xiàn)在界面以checkbox形式顯示，運行界面圖如圖3所示。MBD開發(fā)單個功能模型時，運用本自動化工具需要先將模型打開。然后按照自動化需求勾選check box，點擊pushbutton屬性運行按鈕即可完成自動化操作。

圖3 建模輔助腳本工具運行界面圖

開發(fā)時首先通過guide命令創(chuàng)建空GUI界面，然后將每條自動化需求以checkbox形式進行界面設(shè)計，實現(xiàn)時是pushbutton屬性運行按鈕回調(diào)函數(shù)調(diào)用功能函數(shù)來實現(xiàn)，實現(xiàn)代碼如圖4所示。

2）自動化功能函數(shù)

M語言提供的函數(shù)可以控制模型仿真，獲取和設(shè)置模型、模塊的屬性等功能，自動化功能函數(shù)是利用M語言本身提供的函數(shù)獲取功能自動化對象，然后增加判斷邏輯實現(xiàn)。

圖4 自動化工具調(diào)用自動化需求功能函數(shù)代碼示例

浮點模型搭建過程中自動化需求均是對模型中的Simulink模塊的屬性進行修改，基本采用find_system、get_param、set_param函數(shù)來實現(xiàn)。用find_system函數(shù)來找到要自動化實現(xiàn)的模塊路徑或句柄，用get_param獲取自動化模塊名或者屬性，用set_param函數(shù)來實現(xiàn)模塊參數(shù)設(shè)置。自動化需求模型頂層信號線增加變量名稱代碼如圖5所示。

圖5 模型頂層信號線增加變量名稱代碼示例圖

浮點模型規(guī)范化檢查是針對自動調(diào)用Model Advisor工具來實現(xiàn)的，用ModelAdvisor工具中函數(shù)來實現(xiàn)，如ModelAdvisor.Run為運行Model Advisor工具，圖6為自動調(diào)用Model Advisor工具代碼示例圖。

圖6 自動調(diào)用Model Advisor工具代碼示例圖

浮點模型測試是自動調(diào)用Simulink工具Simulink Design Verifier和Simulink工具Simulink Test。自動調(diào)用Simulink工具Simulink Design Verifier直接采用sldvrun函數(shù)來實現(xiàn)，Simulink工具Simulink Test工具調(diào)用采用sltest.harness.create函數(shù)來創(chuàng)建測試模型，導(dǎo)入測試用例進行測試。

浮點模型多模型檢查實現(xiàn)時首先用find_sysytem函數(shù)提取找到各個子模塊輸入輸出變量和全局系統(tǒng)常數(shù)，然后用strcmp函數(shù)對比較輸入輸出來源及系統(tǒng)常數(shù)數(shù)值。

定點模型搭建過程中的建立數(shù)據(jù)對象時是利用mpt.Signal函數(shù)和mpt.Parameter函數(shù)來創(chuàng)建，代碼示例可見圖7。數(shù)據(jù)對象關(guān)聯(lián)、自動定標整數(shù)、自動定標為向后繼承及設(shè)置為原子子系統(tǒng)均是對模型或者模塊進行設(shè)置，基本采用find_system、get_param、set_param函數(shù)來實現(xiàn)。

定點模型規(guī)范化實現(xiàn)自動調(diào)用Model Advisor檢查時代碼基本與浮點模型規(guī)范化代碼一致，設(shè)置CheckIDList來實現(xiàn)不同測試配置。

頂層輸入信號關(guān)聯(lián)、減法輸出類型設(shè)定不為無符號數(shù)、數(shù)據(jù)類型為浮點或超過32位判斷可通過find_sysytem函數(shù)及strcmp函數(shù)來實現(xiàn)。

定點模型測試測試實現(xiàn)與浮點模型測試實現(xiàn)代碼基本一致，實現(xiàn)定點模型和浮點模型測試結(jié)果對比通過strcmp函數(shù)來實現(xiàn)。

定點模型多模型檢查實現(xiàn)與浮點模型多模型檢查實現(xiàn)代碼基本一致，通過find_sysytem函數(shù)及strcmp函數(shù)來實現(xiàn)。

代碼生成過程自動調(diào)用自動生成代碼模板配置批量生成代碼實現(xiàn)時是首先用open函數(shù)打開第一個模型，然后對該模型進行生成代碼配置及生成代碼，保存，然后再打開下一個模型直至結(jié)束。單獨模型生成代碼配置及生成代碼實現(xiàn)代碼示例如圖8所示。

圖7 建立數(shù)據(jù)對象代碼示例

圖8 單獨模型生成代碼配置及生成代碼實現(xiàn)代碼示例

將所有模型生成代碼放到一個文件夾是依次循環(huán)將所有模型生成代碼文件放到一個文件夾，單個模型生成代碼放到一個文件夾代碼實現(xiàn)示例如圖9所示。

圖9 單個模型生成代碼放到一個文件夾代碼實現(xiàn)示例

代碼測試過程實現(xiàn)調(diào)用SIL測試，進行SIL測試和定點模型測試結(jié)果對比時首先創(chuàng)建測試模型，然后進行正常測試和SIL測試，最后進行結(jié)果對比。示例代碼如圖10所示。

圖10 SIL測試實現(xiàn)代碼示例

代碼集成過程實現(xiàn)生成全局系統(tǒng)常數(shù)聲明文件時與生成數(shù)據(jù)對象代碼基本一致，使用mpt.Parameter來實現(xiàn)。自動生成A2L文件是將自動生成代碼中單獨子模塊生成的A2L文件組成為一個A2L文件，刪去重復(fù)生成的變量，并利用編譯代碼生成的MAP文件進行地址替換。在替換地址時首先要進行變量識別，識別過程采用正則表達式實現(xiàn)。識別標定量正則表達式部分代碼示例如圖11所示。

圖11 識別標定量正則表達式代碼示例

4 應(yīng)用實例

以某型發(fā)動機后處理再生開關(guān)故障判斷模型為例，由于正常情況下后處理再生開關(guān)按下之后10s之內(nèi)會自動彈起，當后處理再生開關(guān)按下狀態(tài)持續(xù)大于20s則認為后處理再生開關(guān)處于按下卡滯狀態(tài)。當發(fā)動機后處理再生開關(guān)處于按下卡滯狀態(tài)時，會導(dǎo)致再生請求一直存在，發(fā)動機后處理顆粒捕集器存在燒熔的風險。

按照功能定義手工搭建模型如圖12所示。

圖12 手工搭建浮點原始模型

從圖12可見，該模塊使用了模塊庫，但是明顯不是最新版本模塊庫，輸入輸出口信號凌亂、信號線上無變量名。

運行自動化腳本工具勾選項如圖13所示，點擊運行模型變化為圖14所示。

圖13 浮點功能建模自動化工具運行界面

由圖14可見，執(zhí)行完自動化操作后，模型替換為最新版本模塊庫，輸入輸出口信號整齊，信號線上添加了變量名，模型封裝為子系統(tǒng)且子系統(tǒng)變量名默認取模型名。當存在多個子系統(tǒng)時模型名后依次加序號區(qū)別。

5 結(jié)束語

本文針對MBD模式開發(fā)過程中大量重復(fù)性工作導(dǎo)致的效率低問題進行開發(fā)自動化腳本工具，采用MATLAB／M語言來實現(xiàn)。本文的MBD軟件開發(fā)自動化腳本工具提高了開發(fā)人員工作效率，降低了對開發(fā)人員針對MBD開發(fā)模式的專業(yè)程度，細節(jié)化操作選項靈活組合提高了腳本復(fù)用率。該自動化腳本工具開發(fā)方法為同領(lǐng)域嵌入式軟件自動化開發(fā)提供了借鑒參考。

圖14 浮點功能建模自動化執(zhí)行后模型圖