徐鐵軍, 黃超凡, 馬 強(qiáng), 徐天蒙

(1 中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所, 西安 710065; 2 國(guó)家電網(wǎng)山東電力公司, 濟(jì)南 250001)

基于模型的設(shè)計(jì)在彈載飛行控制器中軟件實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用*

徐鐵軍1, 黃超凡1, 馬 強(qiáng)2, 徐天蒙1

(1 中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所, 西安 710065; 2 國(guó)家電網(wǎng)山東電力公司, 濟(jì)南 250001)

基于模型的設(shè)計(jì)是面向越來(lái)越復(fù)雜的嵌入式控制器開(kāi)發(fā)的一個(gè)創(chuàng)新的、高效的、具有長(zhǎng)遠(yuǎn)前途的開(kāi)發(fā)范式。采用基于模型的設(shè)計(jì)對(duì)于提升彈載飛行控制器研制部門自主開(kāi)發(fā)能力具有重要的意義,文中以某型號(hào)彈載飛行控制器硬件為目標(biāo)平臺(tái),按照基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程,實(shí)現(xiàn)了彈載飛行器產(chǎn)品級(jí)軟件開(kāi)發(fā)。對(duì)飛行控制器實(shí)物輸出結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證,表明基于模型的設(shè)計(jì)在嵌入式控制器開(kāi)發(fā)中所表現(xiàn)出的適用性和高效性。

基于模型的設(shè)計(jì);彈載飛行控制器;軟件實(shí)現(xiàn)

0 引言

為滿足當(dāng)前小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈載電子設(shè)備的高性能、高可靠性、小型化和輕型化需求,彈載飛行控制器硬件平臺(tái)通常是由16位或32位嵌入式處理器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為處理核心、輔以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路、通訊電路或現(xiàn)場(chǎng)總線等外圍電路組成。隨著各種類型的高性能、低成本嵌入式處理器芯片及其外圍芯片的不斷涌現(xiàn),作為彈載飛行控制器的硬件平臺(tái)朝著通用化、模塊化方向發(fā)展,而且成本持續(xù)降低,性能不斷提升,硬件平臺(tái)已不再成為約束彈載飛行控制器發(fā)展的因素,因此,飛行控制器設(shè)計(jì)的工作側(cè)重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移至其軟件實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、測(cè)試和維護(hù)上。

然而,隨著彈載飛行控制器在需求上,例如算法密集的信號(hào)處理、智能化等方面以及復(fù)雜性不斷升級(jí),傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)模式遭遇到了發(fā)展瓶頸,為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的控制系統(tǒng)需求,提高開(kāi)發(fā)效率,縮短開(kāi)發(fā)周期快速投放市場(chǎng),尤其是在控制工程領(lǐng)域,在與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的過(guò)程中,經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐及理論總結(jié),逐步形成了一種創(chuàng)新的開(kāi)發(fā)范式,這就是基于模型的設(shè)計(jì)[1-3]。

1 基于模型的設(shè)計(jì)流程及工具

對(duì)嵌入式控制器而言,基于模型的設(shè)計(jì)是對(duì)整個(gè)控制器包括控制器工作流程、I/O設(shè)備及其控制算法模型等部分,從數(shù)學(xué)的視角上看,以數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)或事件驅(qū)動(dòng)的方式,采用可視化的方框圖和狀態(tài)流圖的方式進(jìn)行描述,即建立模型,對(duì)模型及模型組成部分進(jìn)行持續(xù)性的測(cè)試和驗(yàn)證,盡早發(fā)現(xiàn)和排除錯(cuò)誤,從模型直接自動(dòng)生成CC++語(yǔ)言程序或HDL語(yǔ)言代碼的過(guò)程,實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化。

圖1所示為基于模型的設(shè)計(jì)流程,可以看出,基于模型的設(shè)計(jì)具有很多突出優(yōu)勢(shì):

1)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程以模型為主線,所有開(kāi)發(fā)工作圍繞以模型形式的可執(zhí)行規(guī)范進(jìn)行,不依賴文本形式的規(guī)格說(shuō)明書(shū),便于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)(算法開(kāi)發(fā)部門和控制器實(shí)現(xiàn)部門)之間緊密協(xié)作;

2)基于模型的設(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)初期階段容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和排除錯(cuò)誤;

3)圖形化的模塊建模方式具有天然的直觀性,易于建模,易理解、易測(cè)試、易維護(hù);

4)從模型直接生成標(biāo)準(zhǔn)的CC+++代碼或VHDL代碼,從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)完全做到設(shè)計(jì)自動(dòng)化,避免手寫代碼的繁瑣而又易錯(cuò)的問(wèn)題,極大提高生產(chǎn)效率。

筆者認(rèn)為基于模型的設(shè)計(jì)模式最大的優(yōu)勢(shì)是在各級(jí)開(kāi)發(fā)階段的持續(xù)性的測(cè)試與驗(yàn)證,保證在開(kāi)發(fā)初期就能發(fā)現(xiàn)和排除盡可能多的錯(cuò)誤,大大降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),確保高品質(zhì)高效開(kāi)發(fā)。NASA研究結(jié)果表明,嵌入式軟件在開(kāi)發(fā)初期潛伏的錯(cuò)誤未及早發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致后期修復(fù)成本隨發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤延時(shí)成級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。

需要強(qiáng)調(diào)的是,基于模型的設(shè)計(jì)不僅僅是建立模型,而高于建模,基于模型的設(shè)計(jì)的理念突現(xiàn)整個(gè)流程的開(kāi)發(fā),從需求開(kāi)始,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì),再到整個(gè)控制器的產(chǎn)品級(jí)軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程,無(wú)不突顯出對(duì)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)過(guò)程。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)高等院校、各研究院所和高科技公司的科研人員將基于模型的設(shè)計(jì)成功應(yīng)用于汽車電子、電機(jī)控制、飛行控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)[4]、圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)等嵌入式系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方面[5]。

目前,國(guó)際大多數(shù)控制業(yè)界主流公司的建模、仿真和開(kāi)發(fā)工具均支持和推崇基于模型的設(shè)計(jì)方法。支持從基于模型的設(shè)計(jì)方法的商業(yè)軟件工具有:

1)Simulink(Mathworks公司);

2)Targetlink(dSPACE公司);

3)VisSim(Altair公司);

4)ASCET(ETAS公司);

5)Lustre/SCADE(Verimag/Esterel-Technologies公司)。

開(kāi)源軟件ScilabScicos也支持基于模型的設(shè)計(jì)。

文中采用MATLAB公司的Simulink和Embedded Coder產(chǎn)品,按照基于模型的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行產(chǎn)品級(jí)軟件的開(kāi)發(fā)。

2 飛行控制器硬件平臺(tái)

文中的工作目標(biāo)是以某型反坦克導(dǎo)彈飛行控制器硬件為平臺(tái),應(yīng)用基于模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛行控制器的產(chǎn)品級(jí)軟件。

圖2為某型飛行控制器硬件平臺(tái),其核心是32位浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器C6713,外部通過(guò)CPLD擴(kuò)展了多個(gè)外部設(shè)備,包括7路RS422串口通訊電路、1路CAN總線通訊電路,16路AD轉(zhuǎn)換電路和4路DA轉(zhuǎn)換電路。

3 飛行控制器設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)

按照基于模型的設(shè)計(jì),對(duì)控制器軟件開(kāi)發(fā)部門來(lái)說(shuō),按以下流程進(jìn)行:

1)根據(jù)飛行控制器的工作流程和時(shí)序邏輯,建立控制器的Stateflow模型,對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試仿真。由于Simulink是模塊可視化的仿真環(huán)境,因此調(diào)試、測(cè)試非常便利且節(jié)省資源。

2)對(duì)于完成控制算法模型與現(xiàn)實(shí)世界的交互的載體的I/O設(shè)備,在同一環(huán)境下,對(duì)I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用S-function方式進(jìn)行模塊封裝。文中對(duì)控制器的RS422通訊、CAN總線通訊、AD采樣和DA輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了封裝。

3)從控制律開(kāi)發(fā)部門獲得的控制模型,該模型已經(jīng)通過(guò)仿真進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證,拿來(lái)即可用。軟件實(shí)現(xiàn)部門需要做的是將控制模型、I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型、控制器行為模型進(jìn)行有效的系統(tǒng)集成。

圖3所示為某型飛行控制器系統(tǒng)模型。對(duì)模型進(jìn)行仿真測(cè)試、查錯(cuò)并修改,對(duì)不合適的模塊進(jìn)行等效代替,使模型適于代碼生成。

4)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行規(guī)則檢查。

對(duì)系統(tǒng)模型的建模規(guī)則、安全相關(guān)準(zhǔn)則例如DO-178C等準(zhǔn)則進(jìn)行檢查。隨著模型復(fù)雜度的提高,人工檢查模型屬性、配置以及對(duì)于模型對(duì)特定規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)的遵守度逐漸成為負(fù)擔(dān),使用Model Advisor工具可以自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)以及模型配置和屬性的檢查,并產(chǎn)生檢查報(bào)告。檢查的內(nèi)容:

①是否會(huì)導(dǎo)致仿真出錯(cuò);

②是否會(huì)導(dǎo)致生成的代碼無(wú)效;

③生成的代碼是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

5)對(duì)模型進(jìn)行配置,自動(dòng)生成代碼。

對(duì)模型進(jìn)行配置,設(shè)置優(yōu)化選項(xiàng),生成針對(duì)TI C6000的特殊優(yōu)化的C程序。模型一經(jīng)確認(rèn)完畢,代碼一次成功生成。

6)在目標(biāo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境下,對(duì)模型各部分及整個(gè)控制器模型進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。

將生成的源碼程序以及支持庫(kù)轉(zhuǎn)入TI的CCS3.3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中,編譯和下載運(yùn)行,進(jìn)行控制器在線仿真,由實(shí)物在線仿真檢驗(yàn)的控制器行為與預(yù)期是否符合,控制算法的輸出結(jié)果與仿真相符程度等。

圖4和圖5所示為2路獨(dú)立的控制指令的模型計(jì)算結(jié)果和控制器輸出結(jié)果對(duì)比,可以看出兩者完全保持一致。

上述數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,模型自動(dòng)生成代碼與原模型在數(shù)值上具備高度的等效性。

文獻(xiàn)[1-2]中,對(duì)專業(yè)級(jí)手寫代碼和基于模型的自動(dòng)生成代碼在占用ROM和RAM方面進(jìn)行了對(duì)比,表明自動(dòng)生成代碼已經(jīng)能夠達(dá)到甚至超過(guò)手寫代碼的效率。這就節(jié)省出大量的手工編碼、排錯(cuò)和測(cè)試驗(yàn)證方面的投入,大大提高軟件生產(chǎn)率。

因此,采用基于模型的設(shè)計(jì)完全可以實(shí)現(xiàn)高效的飛行控制器產(chǎn)品級(jí)軟件開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)論

綜上所述,采用基于模型的設(shè)計(jì),能夠顯著降低整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的投入,加快彈載飛行控制器軟件開(kāi)發(fā)。因此,基于模型的設(shè)計(jì)作為當(dāng)前及未來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)困境的利器之一,它是一種創(chuàng)新的、具有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前途的設(shè)計(jì)范式。毫無(wú)疑問(wèn),基于模型的設(shè)計(jì)對(duì)于提升彈載飛行控制器研發(fā)部門的軟件開(kāi)發(fā)能力升級(jí)具有非常重要的意義。

[1] 劉杰. 基于模型的設(shè)計(jì)及其嵌入式實(shí)現(xiàn) [M]. 北京: 北京航空航天出版社, 2010: 345-347.

[2] 劉杰. 基于模型的設(shè)計(jì): MCU篇 [M]. 北京: 北京航空航天出版社, 2011: 421-425.

[3] 劉杰. 基于模型的設(shè)計(jì): DSP篇 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011: 282-284.

[4] 李強(qiáng), 王民鋼, 楊堯. 飛行控制系統(tǒng)快速原型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2009, 17(7): 1305-1307.

[5] 范哲意, 周治國(guó), 劉志文, 等. 基于TMS320DM642和模型化設(shè)計(jì)的圖像跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) [J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013, 30(3): 74-77.

ApplicationofModelBasedDesigninSoftwareImplementationofMissileBorneFlightController

XU Tiejun1, HUANG Chaofan1, MA Qiang2, XU Tianmeng1

(1 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China; 2 State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250001, China)

MBD was a creative, efficient development paradigm with long term future for more and more complex embedded controller development. Adopting MBD had great significance for improving the autonomous development ability of missile-borne flight controller development department. In this paper, a certain type of missile borne flight controller hardware was taken as the target platform, according to the model based design and development process, the product level software development of missile borne aircraft was realized. The output results and simulation results of flight controller object were compared and validated, which showed the applicability and efficiency of model-based design in the development of embedded controller.

model-based design (MBD); missile-borne flight controller; software implementation

TJ765.2

A

2016-03-09

徐鐵軍(1976-),男,陜西西安人,高級(jí)工程師,博士研究生,研究方向:工程電磁場(chǎng)計(jì)算、電子線路設(shè)計(jì)與仿真、彈載電子設(shè)備及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。