0 引言

    當(dāng)今社會(huì)，在各類控制系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，仿真已經(jīng)成為工程師檢驗(yàn)產(chǎn)品性能的一個(gè)重要手段。早期的嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)流程中，由于系統(tǒng)開發(fā)前期缺少有效的實(shí)時(shí)驗(yàn)證手段，設(shè)計(jì)師必須要等到系統(tǒng)硬件完成后才能進(jìn)行檢驗(yàn)，往往需要付出昂貴的代價(jià)^[1]。后來(lái)隨著快速控制原型技術(shù)(Rapid Control Prototype，RCP)的引入，工程師可以通過(guò)在通用仿真計(jì)算機(jī)上建立產(chǎn)品的快速原型進(jìn)行仿真，從而達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)產(chǎn)品性能的目的，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間和成本^[2]。傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者利用MATLAB/Simulink作為前端建模工具，可以快速建立對(duì)象模型^[3]，但面臨的問題一般是模型到可執(zhí)行代碼的有效轉(zhuǎn)換以及建模工具與嵌入式開發(fā)平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接，這一步包括模型的編譯以及開發(fā)環(huán)境的配置，仍需要大量手工編寫代碼和嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)。

    為解決此類問題，本課題提出，基于快速控制原型技術(shù)，向Simulink庫(kù)添加自定義的嵌入式系統(tǒng)集成模塊的方案，從而達(dá)到圖形化配置嵌入式工程的目的，避免了大量的手動(dòng)代碼編寫和繁瑣的硬件參數(shù)配置。

1 快速控制原型技術(shù)

    快速控制原型技術(shù)起源于快速原型(Rapid Prototype，RP)技術(shù)。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)福特公司為了降低車用嵌入式控制器的研發(fā)時(shí)間和成本，將快速原型技術(shù)引入了控制器開發(fā)領(lǐng)域，這種技術(shù)就稱為快速控制原型技術(shù)^[3-4]。

    RCP技術(shù)本質(zhì)上屬于一種基于模型的算法設(shè)計(jì)及半物理仿真。鑒于純數(shù)學(xué)仿真的置信度有限，其結(jié)果往往僅作參考，而RCP技術(shù)基于半物理仿真參與研發(fā)過(guò)程，將工程師開發(fā)的算法下載到實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上，通過(guò)該仿真機(jī)中與產(chǎn)品控制器完全一致的實(shí)際I/O口與被控對(duì)象實(shí)物連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，檢驗(yàn)算法性能^[5]，并可以快速反復(fù)修改，最終生成目標(biāo)代碼燒寫到硬件系統(tǒng)以形成最終的產(chǎn)品^[6-7]。

    RCP技術(shù)最大的特點(diǎn)是快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，極大地提高了研制效率，復(fù)雜的程序編寫可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，工程師的工作重點(diǎn)將主要集中于模型的建立和算法的設(shè)計(jì)等抽象層面，而不用糾結(jié)于程序bug調(diào)試和物理實(shí)現(xiàn)問題^[8]。在實(shí)際應(yīng)用上，RCP仿真可以與另一種半物理仿真——硬件在回路(Hardware in the Loop，HIL)仿真系統(tǒng)互補(bǔ)，相輔相成^[1，9]。

    本課題以美國(guó)Concurrent iHawk并行仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為平臺(tái)^[3]，圖1給出了快速原型系統(tǒng)仿真平臺(tái)示意圖^[10]。

    該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

    (1)擁有運(yùn)算能力強(qiáng)大的并行仿真計(jì)算機(jī)及豐富的、多協(xié)議的I/O接口；

    (2)在Simulink的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了離線模型和在線模型的無(wú)縫轉(zhuǎn)換；

    (3)Simulation Workbench仿真工作平臺(tái)，提供了一個(gè)完全集成的、與第三方建模軟件兼容的環(huán)境；

    (4)Simbox仿真計(jì)算機(jī)擁有雙CPU的并行處理器系統(tǒng)，并且內(nèi)置了A/D采集卡，定時(shí)/計(jì)數(shù)器板卡，多串口卡等多種板卡和豐富的I/O接口。

2 設(shè)計(jì)與過(guò)程

2.1 大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)

    本課題針對(duì)的實(shí)驗(yàn)載體是通用大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)(Air Data Computer，ADC)，所謂大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，是指針對(duì)大氣數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)，是現(xiàn)代飛機(jī)上十分重要的一類機(jī)載電子設(shè)備，以微處理器為核心，利用傳感器傳來(lái)的少量信息，快速地計(jì)算出其他需要的大氣相關(guān)數(shù)據(jù)，通常包括：大氣總壓、靜壓、總溫、迎角等^[11]。

    傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)過(guò)程，通常是將硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)分開進(jìn)行，也即，根據(jù)系統(tǒng)的需求和性能，設(shè)計(jì)模型和算法，再根據(jù)所建立的模型算法進(jìn)行嵌入式開發(fā)板硬件方面的配置。因此對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，不僅要掌握所設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面的知識(shí)，更要對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程和C語(yǔ)言的程序編寫有一定的了解。而本課題的創(chuàng)新之處在于，基于快速控制原型技術(shù)，不僅可以利用Simulink庫(kù)自帶的RTW工具將模型轉(zhuǎn)換成針對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)的嵌入式C代碼，而且可以通過(guò)向Simulink庫(kù)添加自定義的STM32集成模塊，從而達(dá)到圖形化配置嵌入式工程的目的，避免了大量的手動(dòng)代碼編寫和繁瑣的硬件參數(shù)配置。

2.2 算法設(shè)計(jì)與模型建立

    根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)^[12-13]，各解算參數(shù)方程式表達(dá)如下。

    （1）氣壓高度

    H<11 000 m時(shí)，位于對(duì)流層，

    代入已知值，T_b=216.5 K，P_b=22.632 kPa，H_b=11 000 m，

式中，Ma為馬赫數(shù)。

    (3)指示空速

    指示空速是指以標(biāo)準(zhǔn)海平面的大氣條件為基礎(chǔ)，將真空速歸化到標(biāo)準(zhǔn)海平面所得到的速度值，又稱表速，表示的是飛行器空氣動(dòng)力的大小。馬赫數(shù)小于1時(shí)：

    以上得到的是表征ADC輸入輸出參數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系的方程式，是ADC解算大氣數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，后續(xù)的Simulink建模便建立于上述一組數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上。

2.3 STM32與Simulink的集成

    本課題的創(chuàng)新之處在于，基于快速控制原型技術(shù)，提出向Simulink庫(kù)添加自定義的STM32集成模塊的方案，從而達(dá)到圖形化配置嵌入式工程的目的，避免了大量的手動(dòng)代碼編寫和繁瑣的硬件參數(shù)配置。

    傳統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，Simulink與STM32有一定的結(jié)合，但并不完善，關(guān)鍵在于Simulink只能對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行創(chuàng)建修改以及C代碼生成，而并不涉及任何和STM32有關(guān)的開發(fā)環(huán)境的配置，而且原本Simulink上只有針對(duì)通用32位處理器的系統(tǒng)目標(biāo)文件，這樣生成的代碼在可讀性和移植性上有不少的缺陷。

    因此，本課題將ST意法半導(dǎo)體官方發(fā)布的開發(fā)固件庫(kù)STM32-MAT/TARGET集成到Simulink模型庫(kù)里面，利用Simulink強(qiáng)大的圖形化建模能力，將離線模型建立與STM32外設(shè)模塊結(jié)合起來(lái)，共同包含于快速控制原型仿真模型的搭建中。

    目前ST官方的STM32-MAT/TARGET，支持F3、F4系列的開發(fā)板，將固件庫(kù)下載安裝后通過(guò)pathtool命令讓MATLAB包含固件庫(kù)的路徑，之后在Simulink模型庫(kù)里便會(huì)出現(xiàn)與STM32相關(guān)的集成模塊。

    模塊里面包括MCU和ADC、DAC、定時(shí)器、串口等外設(shè)的配置，這些模塊的操作和普通Simulink模塊的操作基本相同，唯一不同的是，有關(guān)MCU時(shí)鐘系統(tǒng)和一些外設(shè)端口選擇的配置需要用到另一個(gè)軟件。在Simulink中，先把大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的仿真模型搭建如圖2所示。

    模型基本思路就是將靜壓、總壓和總溫作為輸入，通過(guò)各自的模塊算出氣壓高度、空速等數(shù)據(jù)，將其打包成一幀數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到串口模塊。

    STM32CubeMX和STM32-Mat/Target與MATLAB/Simu-link的結(jié)合，將復(fù)雜繁瑣的手工編程轉(zhuǎn)換成直觀簡(jiǎn)便的圖形配置。模型建立在Simulink里通過(guò)模塊連線完成，開發(fā)環(huán)境的配置在STM32CubeMX里通過(guò)圖形化界面完成。

2.4 自動(dòng)生成代碼

    RCP技術(shù)最重要工具之一就是基于模型的自動(dòng)代碼生成。基于模型設(shè)計(jì)就要摒棄手寫代碼的過(guò)程，將更多的精力放在算法的開發(fā)上，利用Simulink圖形化的特點(diǎn)，快速高效地將算法自動(dòng)生成代碼。

    Simulink的仿真參數(shù)設(shè)置里會(huì)出現(xiàn)STM32相關(guān)的配置，包括tlc文件和tmf文件的選擇以及STM32CubeMX生成的ioc文件的選取，之后生成代碼報(bào)告。

    最后在STM32CubeMX中配置生成Keil MDK工程文件。

2.5 半實(shí)物仿真與結(jié)果分析

    將2.4節(jié)所生成的程序編譯燒寫到STM32開發(fā)板上，利用RS232串口連接到電腦，并在電腦上通過(guò)Simulink搭建圖3所示程序用于接收數(shù)據(jù)并解包展示。

    利用Simbox仿真計(jì)算機(jī)搭建數(shù)據(jù)發(fā)送的模型，該模型向ADC原型系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)原始數(shù)據(jù)。該模型在Simulation Workbench的環(huán)境下編譯代碼并生成RTDB變量，原始數(shù)據(jù)通過(guò)RTDB變量映射到仿真機(jī)的MOXA CP-118EL-A多串口板卡上^[3]，再利用硬件協(xié)議RS232的串口向ADC原型系統(tǒng)的USART3串口發(fā)送，STM32接收到原始數(shù)據(jù)后開始進(jìn)行相關(guān)大氣數(shù)據(jù)的解算。

    在運(yùn)行圖3所示的第二套仿真程序的同時(shí)，打開STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，觀察數(shù)據(jù)與預(yù)期的是否一致，結(jié)果如圖4所示。

    圖4中，輸出的5組數(shù)據(jù)分別是氣壓高度、馬赫數(shù)、靜溫、指示空速和真空速，點(diǎn)線代表原始ADC模型數(shù)學(xué)仿真得到的輸出，條線代表半實(shí)物仿真PC實(shí)際接收到的ADC原型系統(tǒng)解算的大氣數(shù)據(jù)。可以看出，5組實(shí)際數(shù)據(jù)都能較好地跟蹤理論數(shù)據(jù)，說(shuō)明所搭建的快速原型系統(tǒng)與程序達(dá)到了與理論數(shù)學(xué)模型相符合的預(yù)期。圖4(a)、(c)、(d)、(e)中實(shí)際曲線相對(duì)平滑，過(guò)渡自然，取得了較好的效果；圖4(b)中由于馬赫數(shù)變化在10^-2~10^-3數(shù)量級(jí)，波動(dòng)較為劇烈，因此實(shí)際曲線相對(duì)粗糙，有望在后續(xù)的研究中通過(guò)濾波等處理得到更為光滑的曲線。總體而言所建立的ADC原型系統(tǒng)取得了較好的效果。

3 結(jié)論

    本課題在分析基于RCP技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)向MATLAB/Simulink集成STM32-Mat開發(fā)固件庫(kù)的方法，再結(jié)合STM32CubeMX配置開發(fā)環(huán)境，提出了一種快速開發(fā)STM32工程的方法，并將該方法成功應(yīng)用于航空電子大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)嵌入式軟件工程實(shí)踐中。

    本課題中所用到的STM32開發(fā)板相當(dāng)于建立的快速原型系統(tǒng)，它具有與未來(lái)產(chǎn)品——大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)相同的功能和豐富的I/O接口，從而可以作為原型系統(tǒng)進(jìn)行半實(shí)物仿真。而STM32-MAT/TARGET的作用則是將STM32的各種模塊集成到Simulink庫(kù)，從而可以利用自動(dòng)代碼生成功能將其快速轉(zhuǎn)換成嵌入式代碼。STM32CubeMX用于圖形化直觀配置基本環(huán)境。三者結(jié)合，可以快速搭建一套原型系統(tǒng)，對(duì)“產(chǎn)品”進(jìn)行半實(shí)物仿真。且遇到問題時(shí)，可以直接在模型上對(duì)包括STM32各種模塊在內(nèi)的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行直接更改，而傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)除了模型需要更改以外，還需要花大量時(shí)間對(duì)程序以及開發(fā)環(huán)境進(jìn)行再配置，最重要的是，沒有STM32-MAT/TARGET的支持，模型生成的代碼缺少STM32相關(guān)模塊及tlc等配置文件，在與開發(fā)板的適配過(guò)程中將會(huì)有不少的問題。

    因此，本課題提出的基于RCP技術(shù)，結(jié)合STM32-MAT/TARGET與STM32CubeMX進(jìn)行嵌入式開發(fā)，建立快速原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真，可以在原有基礎(chǔ)上大大節(jié)省時(shí)間與成本，提高開發(fā)效率，具有一定的工程價(jià)值。

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作者信息:

黃雨可，徐  軍，虞江航

(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100081)