快速原型及其集成开发环境技术在汽车电子领域的应用
日期：2008-9-6 0:38:05 来源：中国自动化网
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摘要：本文从汽车电子领域的工程实际出发,阐述了应用快速原型方法以及集成开发环境技术开发控制系统的理念,并分析比较了国内外该方法及技术的开发与应用现状,设计了一种具体的结构方案.
关键词：快速原型、集成开发环境（LDE）、汽车电子
1、 应用背景
（1）汽车电子在汽车工业中的重要位置
随着汽车工业的飞速发展，汽车在工艺和制造技术上越来越复杂和精密，同时人们也希望汽车更安全、更经济、操作性更加灵活方便。传统的机械控制由于速度慢，可靠性低已经不能够满足现代需要，因此现代汽车大量采用电子控制技术来提高整车性能。国际上汽车电子产品在整车成本中所占的比例平均超过30%并呈快速上升趋势，汽车电子在现代汽车工业中已经有越来越重要的地位。
（2）快速原型方法提出的背景
现代市场对产品的需求呈现多样性和快速性的趋势，对控制系统安全必和可靠性的要求也与日俱增，为了在激烈的市场竞争中取胜，必须不断地缩短新产品开发与投入市场的周期，这就出现了企业新产品面临着多样性的需求和快速开发之间的矛盾。为了设计可靠的控制系统，满足用户的多样化需求，缩短项目开发周期，降低产品开发费用，需要采用先进的开发工具来加速设计流程，从而找到新的途径获得技术上的突破。使用快速原型方法与集成开发环境技术来进行控制系统开发的目的就是为了缩短开发周期，在行业竞争中能够快速开发新产品，从而获得最大的经济效益和市场益。
2、传统控制系统开发过程与使用快速原型方法进行开发的比较
快速原型方法是现代控制系统开发方式催生的产物，通过与传统控制系统开发方法的比较，我们可以看出快速控制原型方法在控制系统设计开发中的优越性和先性性。
（1）图1所示是传统控制系统开发方法流程，开发步骤如下：
●根据需求用文字说明的方式提出设计目标；
●根据以往开发经验提出系统结构；
●由硬件人员设计并制造硬件电路；
●由控制工程师设计控制方案，并将控制模型用方程的形式描述出来；
●由软件人员采用手工编程的方式实现控制模型；
●由系统工程师或电子技术专家将代码集成到硬件电路中；
图1 伟统控制系统开发方法流程
●用真实控制对象或测试台进行测试。
传统控制系统开发存在的不足；
●在对控制规律的控制特性或控制效果还没有把握的情况下，已经完成硬件电路的制造，这时，由于还无法确定所设计的方案能在多大程度满足需求，或根本不能满足需求的情况下，就已经产生了较大的硬件投入；
●手工编制的控制程序容易造成系统可靠性降低，一旦在测试过程中出现故障，就很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是手工编程将会占用大量的时间，导致虽然有了控制方案，却要等待很长时间才能对其进行验证和测试，从而在不知道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间，人才和物力，给开发带来了不必要的开支和经济损失；
●即使软件编程不存在问题，如果在测试过程中发现控制方案不理想，需要进行修改，则新一轮开发工作又将开始。大量的时间又将耗费在软硬件的修改和调试上。另外，由于涉及的部门多，再加上管理不善所引入的种种不协调，导致开发周期长，最终可能出现产品虽然研制成功了，但初始需求已经发生了变化，市场的机会已经错过，产品已没有了销路，从而使整个开发以失败告终。
（2）快速原型开发方法及流程
基于模型设计面向目标应用系统的快速原型开发方法最重要的特征就是采用计算机辅助控制系统设计，即将计算机支持的工具贯穿于控制系统开发和测试的全过程。应用快速原型方法进行控制系统开发，一般由下列步骤组成（如图2所示）：
●系统需求与分析
在传统的控制系统设计方法中，这一过程通常是几千字甚至几万字的文字说明。在快速原型开发方法中为了避免文字说明的模糊性及理解性错误，详细说明将采用模型方式。可以用信号流图来进行定义。
●控制方案设计
控制方案的设计不再采用过去的那种先将对象模型简化成手工可以处理的形式，再根据经验进行手工设计的方式，而是用诸如MATLAB/SIMULINK等计算机辅建模及分析软件，建立尽可能准确的控制模型，并进行离线仿真分析，从而避免了传统设计过程中由于模型过于简化，在没有相应的计算机辅助设计工具支持情况下，完成了大量的工作而到了试验阶段才发现所设计的方案根本不能满期足实际对象的控制要求。
图2应用快速原型方法进行控制系统开发
●硬件平台
硬件平台是快速原型方法的重要组成部分，它由CPU与外围扩展电路组成，通过外部功能接口与目标应用系统进行交互，也可以根据实际需求对信号进行调理，从而实现对目标应用系统的控制。
●自动代码生成
用户进行控制算法模型设计后，无须再像过去那样来等待软件工程师进行手工编程，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制模型框图转换为目标系统代码，从而快速实现控制系统的原型。自动生成的代码可以节省大量的系统开发时间，可靠性高，但是运行效率比手工编程低。对大多数工程师而言，如果能够加快开发速率，损失代码的部分实时运行效率是可以接受的。而且这个问题可以通过后期进行的自动代码优化功能得以改善。
●实时仿真与测试
在系统开发阶段完成之后，就可以利用计算机辅助试验测试工具软件进行各种试验，以检验控制方案对实际对象的控制效果，并随时修改控制参数，直到得到满意的结果为止。即使需要对模型作很大修改，从修改到下一次对原型的测试也只需要几分钟的时间。从而在最终实现控制方案之前，就已经对可能得到的结果有了相当的把握，避免了过多的资源浪费和时间消耗。
●硬件在环仿真
硬件在环仿真的目的是通过对实际情况进行模拟从而对控制模型在各种条件下做出全面测试。它的优点是可以通过在对故障情况和极限条件下的测试找出控制装置的设计缺陷，从而缩短开发周期，降低相关维护费用。
3、集成开发环境技术
3.1集成开发环境的功能
在传统控制系统软件开发过程中，开发的不同阶段需要用到不同的软件，开发者必须在几种软件间来回切换操作，效率比较低。而随着市场需求的增长，系统开发复杂度愈来愈高，特别在大型控制系统的开发中，企业必须选择优秀的开发工具以保证工程质量，从而能够按时交付和实现成本控制。集成开发环境正是这样一个将编辑、编译、调试、仿真等功能集成在一个桌面环境中，既方便了用户，又提高了工程质量和开发速度。
基于快速原型方法的集成开发环境功能包括：提供控制操作界面；建立控制模型；通过上位机与目标CPU的接口浏览目标CPU硬件平台状态和信息；集成MATLAB/SIMULINK进行仿真建模；集成RTM对SIMULINK所构建的模型进行自动代码生成;集成编译器、链接器、调试器等对生产的代码进行交叉编译，调试，从而对目标CPU进行控制；集成控制界面，用于实现对所给定参数的测试和优化；模拟仿真应用系统控制算法；通过硬件调试接口将生成的目标CPU的机器代码下载到硬件平台；实时调试运行应用程序等等。
3.2使用集成开发环境进行快速原型控制系统开发的特点
使用集成开发环境进行快速原型控制系统开发这种开发模式方便、快捷。通过使用图形化界面的模型框图，输入计算公式、经验公式来编制开发程序，再由系统自动将其编译成目标代码的方式可以大大提高效率。应用程序经过反复模拟仿真、实时调试运行成功后被装入硬件平台。一些特定、重复任务的应用程序被生成模块化的库文件以备调用。模块化的应用程序可以实时在线导入导出而丝毫不影响系统的正常运行。这样使用集成开发环境对快速开发和实时数据分析实现了从想法提出到建模直至进行控制的一体化过程。
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关键词：快速原型、集成开发环境（LDE）、汽车电子
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1、 应用背景
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（1）汽车电子在汽车工业中的重要位置
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随着汽车工业的飞速发展，汽车在工艺和制造技术上越来越复杂和精密，同时人们也希望汽车更安全、更经济、操作性更加灵活方便。传统的机械控制由于速度慢，可靠性低已经不能够满足现代需要，因此现代汽车大量采用电子控制技术来提高整车性能。国际上汽车电子产品在整车成本中所占的比例平均超过30%并呈快速上升趋势，汽车电子在现代汽车工业中已经有越来越重要的地位。
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（2）快速原型方法提出的背景
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现代市场对产品的需求呈现多样性和快速性的趋势，对控制系统安全必和可靠性的要求也与日俱增，为了在激烈的市场竞争中取胜，必须不断地缩短新产品开发与投入市场的周期，这就出现了企业新产品面临着多样性的需求和快速开发之间的矛盾。为了设计可靠的控制系统，满足用户的多样化需求，缩短项目开发周期，降低产品开发费用，需要采用先进的开发工具来加速设计流程，从而找到新的途径获得技术上的突破。使用快速原型方法与集成开发环境技术来进行控制系统开发的目的就是为了缩短开发周期，在行业竞争中能够快速开发新产品，从而获得最大的经济效益和市场益。
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2、传统控制系统开发过程与使用快速原型方法进行开发的比较
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快速原型方法是现代控制系统开发方式催生的产物，通过与传统控制系统开发方法的比较，我们可以看出快速控制原型方法在控制系统设计开发中的优越性和先性性。
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（1）图1所示是传统控制系统开发方法流程，开发步骤如下：
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●根据需求用文字说明的方式提出设计目标；
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●根据以往开发经验提出系统结构；
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●由硬件人员设计并制造硬件电路；
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●由控制工程师设计控制方案，并将控制模型用方程的形式描述出来；
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●由软件人员采用手工编程的方式实现控制模型；
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●由系统工程师或电子技术专家将代码集成到硬件电路中；
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图1 伟统控制系统开发方法流程
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●用真实控制对象或测试台进行测试。
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传统控制系统开发存在的不足；
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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●在对控制规律的控制特性或控制效果还没有把握的情况下，已经完成硬件电路的制造，这时，由于还无法确定所设计的方案能在多大程度满足需求，或根本不能满足需求的情况下，就已经产生了较大的硬件投入；
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●手工编制的控制程序容易造成系统可靠性降低，一旦在测试过程中出现故障，就很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是手工编程将会占用大量的时间，导致虽然有了控制方案，却要等待很长时间才能对其进行验证和测试，从而在不知道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间，人才和物力，给开发带来了不必要的开支和经济损失；
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
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●即使软件编程不存在问题，如果在测试过程中发现控制方案不理想，需要进行修改，则新一轮开发工作又将开始。大量的时间又将耗费在软硬件的修改和调试上。另外，由于涉及的部门多，再加上管理不善所引入的种种不协调，导致开发周期长，最终可能出现产品虽然研制成功了，但初始需求已经发生了变化，市场的机会已经错过，产品已没有了销路，从而使整个开发以失败告终。
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（2）快速原型开发方法及流程
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基于模型设计面向目标应用系统的快速原型开发方法最重要的特征就是采用计算机辅助控制系统设计，即将计算机支持的工具贯穿于控制系统开发和测试的全过程。应用快速原型方法进行控制系统开发，一般由下列步骤组成（如图2所示）：
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●系统需求与分析
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在传统的控制系统设计方法中，这一过程通常是几千字甚至几万字的文字说明。在快速原型开发方法中为了避免文字说明的模糊性及理解性错误，详细说明将采用模型方式。可以用信号流图来进行定义。
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●控制方案设计
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控制方案的设计不再采用过去的那种先将对象模型简化成手工可以处理的形式，再根据经验进行手工设计的方式，而是用诸如MATLAB/SIMULINK等计算机辅建模及分析软件，建立尽可能准确的控制模型，并进行离线仿真分析，从而避免了传统设计过程中由于模型过于简化，在没有相应的计算机辅助设计工具支持情况下，完成了大量的工作而到了试验阶段才发现所设计的方案根本不能满期足实际对象的控制要求。
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图2应用快速原型方法进行控制系统开发
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●硬件平台
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硬件平台是快速原型方法的重要组成部分，它由CPU与外围扩展电路组成，通过外部功能接口与目标应用系统进行交互，也可以根据实际需求对信号进行调理，从而实现对目标应用系统的控制。
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●自动代码生成
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用户进行控制算法模型设计后，无须再像过去那样来等待软件工程师进行手工编程，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制模型框图转换为目标系统代码，从而快速实现控制系统的原型。自动生成的代码可以节省大量的系统开发时间，可靠性高，但是运行效率比手工编程低。对大多数工程师而言，如果能够加快开发速率，损失代码的部分实时运行效率是可以接受的。而且这个问题可以通过后期进行的自动代码优化功能得以改善。
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●实时仿真与测试
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在系统开发阶段完成之后，就可以利用计算机辅助试验测试工具软件进行各种试验，以检验控制方案对实际对象的控制效果，并随时修改控制参数，直到得到满意的结果为止。即使需要对模型作很大修改，从修改到下一次对原型的测试也只需要几分钟的时间。从而在最终实现控制方案之前，就已经对可能得到的结果有了相当的把握，避免了过多的资源浪费和时间消耗。
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●硬件在环仿真
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硬件在环仿真的目的是通过对实际情况进行模拟从而对控制模型在各种条件下做出全面测试。它的优点是可以通过在对故障情况和极限条件下的测试找出控制装置的设计缺陷，从而缩短开发周期，降低相关维护费用。
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3、集成开发环境技术
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3.1集成开发环境的功能
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在传统控制系统软件开发过程中，开发的不同阶段需要用到不同的软件，开发者必须在几种软件间来回切换操作，效率比较低。而随着市场需求的增长，系统开发复杂度愈来愈高，特别在大型控制系统的开发中，企业必须选择优秀的开发工具以保证工程质量，从而能够按时交付和实现成本控制。集成开发环境正是这样一个将编辑、编译、调试、仿真等功能集成在一个桌面环境中，既方便了用户，又提高了工程质量和开发速度。
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基于快速原型方法的集成开发环境功能包括：提供控制操作界面；建立控制模型；通过上位机与目标CPU的接口浏览目标CPU硬件平台状态和信息；集成MATLAB/SIMULINK进行仿真建模；集成RTM对SIMULINK所构建的模型进行自动代码生成;集成编译器、链接器、调试器等对生产的代码进行交叉编译，调试，从而对目标CPU进行控制；集成控制界面，用于实现对所给定参数的测试和优化；模拟仿真应用系统控制算法；通过硬件调试接口将生成的目标CPU的机器代码下载到硬件平台；实时调试运行应用程序等等。
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3.2使用集成开发环境进行快速原型控制系统开发的特点
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使用集成开发环境进行快速原型控制系统开发这种开发模式方便、快捷。通过使用图形化界面的模型框图，输入计算公式、经验公式来编制开发程序，再由系统自动将其编译成目标代码的方式可以大大提高效率。应用程序经过反复模拟仿真、实时调试运行成功后被装入硬件平台。一些特定、重复任务的应用程序被生成模块化的库文件以备调用。模块化的应用程序可以实时在线导入导出而丝毫不影响系统的正常运行。这样使用集成开发环境对快速开发和实时数据分析实现了从想法提出到建模直至进行控制的一体化过程。
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