使用基于模型的设计开发汽车电子控制系统

©2008TheMathWorks,Inc.®®使用基于模型的设计开发汽车电子控制系统金文思全球汽车行业经理TheMathWorks,Inc.2®®二十年前:汽车工业发展趋势和挑战空调控制电子点火控制第一代电喷车灯开关控制3®®PowerManagement能源管理Transmission变速箱Engine发动机RideControl驾驶控制ABS防抱死刹车Steering转向控制StabilityControls稳定性控制TractionControl牵引力控制Windows车窗Doors车门Lights车内照明ClimateControls车内环境控制ObstacleDetection障碍探测AdaptiveCruiseControl自适性车速控制CrashAvoidance防撞Airbags安全气囊AdaptiveFrontLightingSystems自适应前灯系统PassengerDetection乘客探测DriverDrowsiness疲劳驾驶监测Infotainment车载信息娱乐系统Instrumentation仪表VoiceRecognition语音识别Navigation导航WirelessConnectivity无线连接今天的汽车电子4®®汽车工业发展趋势和挑战电子系统含量增加嵌入式软件含量增加电子系统复杂性增加电气电子和软件工程师数量增加愈加关注软件质量新车型开发和换型周期缩短5®®传统开发流程纸面文件无法快速重复实物原型完善程度不足需要大量物力和财力投入手工编程开发时间长，且产生人为错误传统测试手段大量错误在开发后期发现设计实施要求和规范测试验证6®®纸面文件无法快速重复实物原型完善程度不足需要大量物力和财力投入手动实施（编程）使用不同工具且产生人为错误传统测试手段手段大量错误在开发后期发现采用基于模型的设计方法仿真设计•系统化设计的探索与优化•实施之前发现瑕疵•从系统概念设计到实施的逐步设计自动代码生成•无手动代码错误•节省开发时间•可测试性由于可重复性而提高模型具体化不断的验证不断的测试和认证•从开发初期寻找错误•减少对实物模型的依赖•实现一次成功•开发阶段对测试设施重复使用设计实施技术要求测试和验证可执行的技术文档•能和文本文档结合起来-清楚地表达技术要求•各个部门都可以使用-开发流程中的连贯一致的线索•模型包括被控对象和整个环境-技术要求更为完善•用方框图描述-易于阅读和理解•支持早期测试和验证-降低新项目的风险7®®基于模型的设计方法优越性：及时验证8®®传统开发流程依靠车试和路试对设计进行验证传统测试手段大量错误在开发后期发现纸面文件无法快速重复实物原型完善程度不足需要大量物力和财力投入手工编程开发时间长，且产生人为错误9®®查错和改错需要大量的投入如何改进？在出错环节及时查错并改错(开发一步，测试一步)10®®用基于模型的设计进行及时和不断的验证模型具体化不断的验证设计实施技术要求测试和验证11®®基于模型的设计方法优越性：模型多次利用12®®模型多次利用：避免重复开发，提高延续性模型具体化不断的验证设计模型实施模型+定点运算技术要求模型投产模型+与硬件整合13®®RequirementsDefinition技术要求定义System-LevelSpecification系统级规范AlgorithmDesign&Development算法开发和设计ControlSoftwareImplementation控制软件实现Software/HardwareIntegrationandTest软件硬件集成和测试System-LevelIntegrationandTest系统级集成和测试CompleteIntegrationandTest全面集成和测试AlgorithmsDSPFPGAASICEmbeddedSoftwareDigitalElectronicsC,C++VHDL,VerilogImplement（实现）IntegrationMCURequirementsContinuousV&V（不断地确认和验证）Design（设计）PhysicalComponentsTestEnvironments(T&M,HIL)基于模型设计对开发流程(V型图)的全面覆盖Environment14®®RequirementsDefinition技术要求定义System-LevelSpecification系统级规范AlgorithmDesign&Development算法开发和设计ControlSoftwareImplementation控制软件实现Software/HardwareIntegrationandTest软件硬件集成和测试System-LevelIntegrationandTest系统级集成和测试CompleteIntegrationandTest全面集成和测试AlgorithmsDSPFPGAASICEmbeddedSoftwareDigitalElectronicsC,C++VHDL,VerilogImplement（实现）IntegrationMCURequirementsContinuousV&V（不断地确认和验证）Design（设计）PhysicalComponentsTestEnvironments(T&M,HIL)系统设计和算法开发Environment15®®系统层面建模Simulink®案例：发动机电控系统系统模型行使工况对仿真结果的检测16®®系统层面建模Simulink®案例：发动机电控系统发动机控制（开发对象）发动机模型（被控对象）周边环境模型－变速箱控制－变速箱及车辆动态模型－路况模拟等．．．17®®控制算法设计Simulink®/Stateflow®18®®对被控对象进行物理建模Simulink®&SimscapeTMSimMechanics™机械系统SimDriveline™车辆传动系统及变速箱SimHydraulics®液压，流体及其控制多域物理建模工具电力系统SimPowerSystems™MATLAB®,Simulink®SimPowerSystems™Simscape™SimMechanics™SimDriveline™SimHydraulics®SimElectronics™SimElectronics™电子元件和机电系统Simscape™19®®美国阿冈国家实验室开发PSAT软件(注：PSAT即PowertrainSystemsAnalysisToolkit)挑战评估混合动力和燃料电池汽车设计和技术解决方案使用MathWorks的工具对先进的车辆及动力系统进行建模和加速仿真数以百计的车辆配置结果分布式仿真环境在一小时内建成仿真时间从两个星期降低到一天仿真结果和车辆的测试数据吻合“我们用Simulink®开发了一个先进的架构和可扩展的动力总成组件，用Stateflow®设计控制器，用MATLAB®程序自动组建模型，然后将生成的复杂仿真分部到一个计算集群上运行——这一切是在同一个环境中完成的。”SylvainPagerit美国阿冈国家实验室用PSAT搭建的车辆模型Linktouserstory20®®尼桑量产车排放控制系统开发挑战设计一套新的排放控制系统，目标是达到加利福尼亚空气资源委员会（CARB）部分零排放车辆标准（PZEV）解决方案尼桑使用MathWorks的工具开发量产车排放控制系统结果开发时间缩短50%获得环保署的表彰传感器的数量减少TheNissan350Z.“使用MATLAB和Simulink的基于模型的设计方法充分证明了其价值，这对我们的工程操作是必不可少的，使我们在竞争中占据优势。.ShigeakiKakizaki,尼桑汽车公司.21®®RequirementsDefinition技术要求定义System-LevelSpecification系统级规范AlgorithmDesign&Development算法开发和设计ControlSoftwareImplementation控制软件实现Software/HardwareIntegrationandTest软件硬件集成和测试System-LevelIntegrationandTest系统级集成和测试CompleteIntegrationandTest全面集成和测试AlgorithmsDSPFPGAASICEmbeddedSoftwareDigitalElectronicsC,C++VHDL,VerilogImplement（实现）IntegrationMCURequirementsContinuousV&V（不断地确认和验证）Design（设计）PhysicalComponentsTestEnvironments(T&M,HIL)系统设计和集成Environment系统模型用在硬件在环路测试中22®®德尔福(Delphi)自动变速箱控制器设计和硬件在环路测试挑战设计和测试适用于多样自动变速箱的控制系统解决方案使用MathWorks工具开发控制算法，并建立自动变速箱的物理模型以实现实时硬件在环路测试结果自动变速箱建模时间减少了５０％早期算法验证实现了开发环境一体化“Simulink和SimDriveline为我们在自动变速箱建模工作上省了六个星期的时间。也让我们更快地建成下一个模型。拥有这样的建模能力使我们能够更好地支持多个不同的客户，因为我们可以很快地了解他们的需求。”AndrewHerman德尔福动力传动系统DelphiPowertrainclosed-loopHILmodelfortransmissioncontrollertesting.Linktouserstory23®®RequirementsDefinition技术要求定义System-LevelSpecification系统级规范AlgorithmDesign&Development算法开发和设计ControlSoftwareImplementation控制软件实现Software/HardwareIntegrationandTest软件硬件集成和测试System-LevelIntegrationandTest系统级集成和测试CompleteIntegrationandTest全面集成和测试AlgorithmsDSPFPGAASICEmbeddedSoftwareDigitalElectronicsC,C++VHDL,VerilogImplement（实现）IntegrationMCURequirementsContinuousV&V（不断地确认和验证）Design（设计）PhysicalComponentsTestEnvironments(T&M,HIL)控制软件的实现Environment24®®验证模型与建模标准的一致性SimulinkVerificationandValidation验证模型与建模标准的一致性用ModelAdvisor对模型进行对应MAAB,IEC61508,和DO-178B等标准规范的自动核查用ModelAdvisorAPI定义公司，开发部门，或项目特定的建模规范25®®功能测试和测试覆盖度分析Simulink&SimulinkVerificationValidation功能测试–Simulink测试覆盖度分析–SimulinkVerificationandValidation26®®用自动测试用例生成提高测试覆盖度SimulinkDesignVerifier手工建立测试用例需要大量时间若要达到100%覆盖度更是如此对模型结构全面覆盖度的重要性安全系统复杂逻辑重复使用的模型组建自动测试范例生成27®®自动生成产品代码Real-TimeWorkshopEmbeddedCoder生成ANSI和ISOC代码可读性高效率：快速运行和优化的内存资源使用模型/源代码双向追溯目标机:基于嵌入式处理器和DSP的电控单元(ECU)支