背景介绍传统开发方式和 MBD 开发简介开发方式的对比转换流程 1

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项皓终
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1 传统开发方式到基于模型设计的转换南京富士通南大软件技术有限公司刘欣 2015 The MathWorks, Inc 0

2 背景介绍传统开发方式和 MBD 开发简介开发方式的对比转换流程 1

MILS:Model In the Loop Simulation RCP :Rapid Control Prototype SILS:Software In the Loop Simulation Detail Design PCG

3 传统开发方式和 MBD 开发简介传统开发方式要求分析 MBD 产品完成控制设计实机测试 Requirement Analysis Simulation MILS Model Based Validation RCP Prototype Development System Test HILS Validation Verification 长时间反复调试手写代码 --- 技术缩略语 --- MBD:Model Based Development MILS:Model In the Loop Simulation RCP :Rapid Control Prototype SILS:Software In the Loop Simulation Detail Design PCG Implementation 基于模型生成代码 Unit Test SILS/PILS PILS:Process In the Loop Simulation HILS:Hardware In the Loop Simulation MBD V 字开发流程 2 2

4 开发方式的对比项目开发实际问题传统开发方式 MBD 开发方式实际电路板测试才能发现问题实机测试阶段才能发现问题开发早期阶段即能发现问题实际电路板经常在测试中损坏难以定位问题点 ( 设计? 编码? 电路?) 人为错误易混入难以定位出错的问题点避免人为错误混入易于定位出错的问题点产品开发周期长成本高开发周期长, 成本高开发周期短, 成本低为了降低开发成本, 提高开发品质, 将传统开发转到 MBD 3

5 转换流程软件工程师软件工程师应用工程师代码理解仿真确定手写 C 代码 PCG 模型 MILS 模型模型优化 ( 开环 ) 追加被控对象 MILS 模型 ( 闭环 ) PCG: Production Code Generation 4

6 手写代码到 PCG 模型的转换系统背景介绍软件结构分析模型搭建模型生成代码优化 5

7 系统背景介绍硬件将交流电源转换为直流电流, 提供主板等供电软件 MATLAB Simulink Embedded Coder Fixed-Point Designer MATLAB Coder Simulink Coder Stateflow Texas Instrument Support Package 输入 AC200V 控制芯片输出 DC12V 6

8 软件结构分析 Main PWM 中断 1 Main AD 采样 Driver 初始化设定控制算法 Task CMU 中断使能 while(1) { 通信机能 } 辅助机能中断中断 PWM 控制 PWM 中断 2 AD 采样控制算法 PLAT APL PWM 控制 PLAT 代码层级内容实现方法 APL 控制算法标准模块 + 自定义模块 PLAT AD,PWM 处理等标准模块 CMU 外部输入标准电压自定义模块封装 Driver 硬件驱动 Support Package 模块 TASK 任务调度 Support Package 模块 + 自定义模块 7

9 软件整体结构解析顶层设计任务调度 Task 触发 PWM 中断 1 APL PLAT 触发 PWM 中断 2 APL PLAT 数据交换数据交换 Main APL CMU Driver 8

10 模型搭建任务调度 PWM 中断 1 PWM 中断 2 Main 通信机能 Main 辅助机能 Main 辅助机能 9

11 中断内部被控对象中断控制 Vin 参考电压 Duty 通信控制算法 PWM 控制 PWM 电路 Vout AD 转换结果 AD 转换电压电流中断控制的内容放入 PCG 模型被控对象不放入 PCG 模型 10

12 中断内部 AD 控制算法 PWM 11

13 模型搭建 -APL 自定义模块封装算法传递函数生成代码时调用了 TI 的 DPLib 库, 可以调用汇编代码加快实行速度 12

14 模型搭建 -PLAT AD PWM 的输入输出进行精度转换上下限等处理 AD PWM 的采样 / 波形等的设置 13

模型搭建 -CMU 自定义模块, 符合行业标准的通信协议满足客户的自定义需求 http://www.pmbus.

15 模型搭建 -CMU 自定义模块, 符合行业标准的通信协议满足客户的自定义需求地址设定, 符合标准的 Command 自由选择包含驱动在内全部生成根据客户要求随时扩展代码内参数可见, 利于调试 14

16 模型搭建 -Driver 硬件部分 (AD,PWM 等 ) 由 TI 提供的库实现, 将需要设置的硬件参数反映到相应的模块上即可通过阅读硬件手册和模块的帮助文档, 理解要求式样后, 设置需要的参数,Driver 会自动生成厂商的 Support Package 提供的驱动是通用驱动, 只适用于小型项目用于复杂项目时, 针对不同的需求, 修改驱动 (TLC 文件 ) 是必须的, 甚至重新开发一部分驱动也是可能的 15

17 模型搭建 -Task 中断控制 Main 函数 TI 提供的中断管理模块自定义的 Main 函数管理模块 16

18 性能要求达成因为硬件资源的限制, 原始的手工代码经过多次优化, 比如 : 定点化调用专用的 API 嵌入汇编等自动生成的代码, 也可以做类似的优化, 以满足苛刻的硬件资源限制优化手段标准模块替换代码库替换调整固定点精度活用 Stateflow 优化内容封装库函数, 使用更高效的算法 API 使用更高效的算法 API 优化精度, 减少不必要的精度转换状态控制, 避免过于复杂的模型 17

19 模型生成代码优化 - 标准模块替换如果对标准 Simulink 模块生成的代码的执行效率不满意, 可以自定义模块, 生成代码直接调用芯片厂商提供的快速算法 API 接口自定义模块, 调用芯片厂商提供的快速 API 接口, 包括基本的 min,max 处理相当于在 C 代码当中嵌入汇编代码, 即自动生成调用汇编代码的接口 18

20 模型生成代码优化 - 代码库替换有已经长时间实践过的可靠算法想要继续使用时, 可以采用代码库替换的方式, 使用手写代码的函数替换标准 Simulink 模块生成的函数以替换 n-d LookupTable 的算法函数为例 19

21 模型生成代码优化 - 代码库替换 ( 续 ) 对 n-d Lookup Table 的算法函数进行集体替换, 使之根据不同的输入类型, 能够自动替换为相应的手写算法 20

22 模型生成代码优化 - 固定点精度采用合适的固定点精度可用利用 Fixed Point Designer 来辅助原先手写代码时, 需要对几乎所有的运算手动进行精度设定, 每一步都要进行精度计算利用工具进行辅助设定后, 只要对关键节点进行精度设定 (Lock), 剩余部分采用工具自动进行设定, 大大简化了设计流程 21

$switch(xxx_controlmode) { case MODE1: case$

23 模型生成代码优化 - 状态机复杂的状态机逻辑可以使用 Stateflow 来进行处理比如说状态跳转的 switch case 的代码, 都可以用 stateflow 来实现, 直观并且易于理解 switch(xxx_controlmode) { case MODE1: case MODE2: default: break; } 22

24 手写代码与模型的一致性检证使用 Simulink 进行一致性检证基于 SLDV 的单体检证工具应用实例 23

使用 Simulink 进行一致性检证模型建好后, 需要既有的代码新生成的代码进行一致性验证, 确保模型搭建的正确性模型人工设计测试用例人工手动确认使用 Simulink 可以做到通过静态分析模型路径边界值, 为单体检证提供自动化用例生成通过 CoverageReport

25 使用 Simulink 进行一致性检证模型建好后, 需要既有的代码新生成的代码进行一致性验证, 确保模型搭建的正确性模型人工设计测试用例人工手动确认使用 Simulink 可以做到通过静态分析模型路径边界值, 为单体检证提供自动化用例生成通过 CoverageReport 报告生成用例的结构覆盖度, 并显示无法模型自动设计测试用例自动结果比较满足的判定目标及发生原因 1 生成的测试用例分别进行模型的 Simulink 仿真与代码的虚拟环境运行并比对结果注 1: 自动生成测试用例和覆盖率报告相对手工方式, 可以大幅削减测试时间, 提高测试效率 24

26 Simulink 相关组件简介 Simulink Design Verifier: 识别设计错误生成测试用例验证设计需求使用形式化方法来识别模型中隐藏的设计错误为模型覆盖和自定义目标生成测试输入 Simulink Coverage(Simulink Verification and Validation): 测量模型和生成的代码中的测试覆盖率执行模型和代码覆盖率分析, 以测量模型和生成的代码中的测试完整度生成交互式报告, 可以高亮模块和子系统中的覆盖结果, 以直观地显示测试中的差距基于以上两种组件, 开发自制工具, 使用 SLDV 生成测试向量, 分别在模型和既有代码中执行, 比较两者结果利用 Simulink Coverage 查看覆盖率, 不足的部分进行手动添加测试用例 25

27 基于 Simulink 相关组件的单体检证工具 Data Dictionary (.xls) Original Model (.mdl) Binary Code (.abs) MATLAB Workspace (.mat) Split Model (.mdl) Model splitter 1 1Model splitter SLDV 对于过于复杂的模型生成测试用例的时间太长, 所以需要将模型进行分割 2SLDV(Simulink Design Verifier) 对分割的模型, 用 SLDV 生成测试向量 3SLC(Simulink Coverage) 生成覆盖度报告 (MC/DC 等 ) 如果覆盖度不理想, 可以手动追加测试用例 Test vector (.xls) SLDV 2 SLC MATLAB Simulation Run Code with IDE Simulation Result(.mat) Comparator 6 Emulation Result(.xls) Coverage report (.html) Unit test report (.html) MATLAB tool customize tool file 4MATLAB Simulation 对于分割的模型, 实施仿真 5Run Code with IDE SLDV 输出的测试向量作为代码的输入分割模型对应的函数分别进行单元测试 6Comparator MATLAB 的仿真结果和 IDE 的代码运行结果进行比较误差超过范围的情况, 在测试报告上重点标出因为是转换项目 ( 手写代码已经做过功能验证 ), 所以这里只做对比测试 26

28 应用实例只需一条命令, 即可完成上述 6 个功能 1 在要测试的代码中嵌入单元测试的代码 2 准备好需要的素材 ( 模型数据字典等 ) 3 执行命令 4 等待命令执行完了 27

29 应用实例 ( 续 ) 5 查看测试报告 6 查看代码和模型运行的比较结果代码和模型运行结果点击 5 中红框内的文字, 可以直接打开 6 的结果图片查看比较结果代码和模型运行结果差分 28

30 应用实例 ( 续 ) 7 查看覆盖率报告点击 7 中红框内的文字, 可以打开对应的检证产物的文件夹 29

31 PCG 模型到 MILS 模型的转换剥离算法无关部分将算法无关部分转换为 Simulink 模块 30

32 剥离算法无关部分 PCG 模型验证完成后, 我们再将其转换为 MILS 模型, 方便今后算法的调试代码层级内容处理 APL 控制算法保留内容, 还原优化部分, 即采用 Simulink 标准模块 PLAT AD,PWM 处理等保留内容 CMU 外部输入标准电压删除 Driver 硬件驱动转换为 Simulink 标准模块 TASK 任务调度转换为 Simulink 标准模块可以采用 Model Reference 的形式, 把保留的 PCG 模型的内容引用到 MILS 模型上面来 31

33 剥离算法无关部分 - 任务调度顶层设计任务调度 Task 任务调度转换为 Simulink 标准模块触发 PWM 中断 1 APL PLAT 触发 PWM 中断 2 APL PLAT 数据交换 Main APL CMU Driver 数据交换任务调度转换为 Simulink 标准模块 32

34 剥离算法无关部分 - 任务调度 ( 续 ) 任务调度转换为 Simulink 标准模块任务调度转换为 Simulink 标准模块任务调度转换为 Simulink 标准模块任务调度转换为 Simulink 标准模块 33

35 剥离算法无关部分 - 中断内部中断控制 PWM 转换为 Simulink 标准模块被控对象 Vin 通信参考电压控制算法 Duty PWM 控制 PWM 控制算法保留, 还原优化部分电路 Vout AD 转换结果 AD 转换电压电流 AD 转换为 Simulink 标准模块 34

36 剥离算法无关部分 - 中断内部 ( 续 ) AD 转换为 Simulink 标准模块通过 Subsystem 封装控制算法保留, 还原优化部分通过 Subsystem 封装 PWM 转换为 Simulink 标准模块通过 Subsystem 封装 35

37 MILS 模型整体结构任务调度控制算法硬件驱动被控对象 PWM 电路 AD 36

38 将算法无关部分转换为 Simulink 模块任务调度采用 Pulse Generator 的上升沿来模拟触发中断求解器当中的设置来模拟 main 函数的实行 37

39 将算法无关部分转换为 Simulink 模块 ( 续 ) AD 通过滤波增益放大等方式, 模拟 AD 转换 PWM 根据代码解读出的式样, 输出给 PWM 的模块信号, 通过 Relay 等模块转换为波形 38

40 总结代码 PCG 模型 : 对代码结构进行解析分层优化模型测试检证 PCG 模型 MILS 模型 : 剥离算法无关部分被控对象也可以做成模型代码 PCG 模型 MILS 模型 : 转换完成后, 之后的开发, 可按照 MBD 的标准流程进行转为 MBD 之后, 开发时间缩短为原来的 1/3, 加速开发, 节约成本以现有产品模型为基础, 新产品开发更为便捷, 更加易于展开 39

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation 构建基于模型的机载软件研发平台苏哲 2015 The MathWorks, Inc. 1 内容基于模型的研发平台的组成及用户案例构建研发平台的关键技术符合高安全规范的机载软件研发平台 2 内容基于模型的研发平台的组成及用户案例构建研发平台的关键技术符合高安全规范的机载软件研发平台 3 以基于模型设计为核心集成设计开发环境项目管理 Simulink Project 需求管理 Simulink

背景介绍 传统开发方式和 MBD 开发简介 开发方式的对比 转换流程 1

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