0 引言

    基于模型的ECU軟件開發(fā)愈加重要^[1-2]。對于發(fā)動機(jī)ECU系統(tǒng)來說，查表模塊要滿足離線數(shù)據(jù)燒寫和在線標(biāo)定兩方面的需求：離線燒寫時(shí)將查表模塊數(shù)據(jù)全部定義到固定的Flash區(qū)域中，在燒寫時(shí)，燒寫工具將該Flash區(qū)域的數(shù)據(jù)全部燒寫為新的值；進(jìn)行在線標(biāo)定時(shí)，內(nèi)存管理模塊將Flash中的查表模塊數(shù)據(jù)拷貝到RAM中，標(biāo)定RAM中的查表模塊數(shù)據(jù)，并且讓發(fā)動機(jī)ECU軟件讀取RAM中的查表模塊數(shù)據(jù)。因此，需要在查表插值函數(shù)中，先通過內(nèi)存管理模塊得到查表模塊的實(shí)際地址，再進(jìn)行查表插值計(jì)算，返回查表結(jié)果。而Simulink自帶的Lookup Table模塊，在生成代碼時(shí)會自動生成查表插值函數(shù)，但是該函數(shù)無法調(diào)用底層的內(nèi)存管理模塊，只能使用Flash中的查表模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，無法滿足在線標(biāo)定的需求。因此針對原有的底層模塊，自定義開發(fā)與之匹配的Simulink查表模塊是十分有必要的。另外，借鑒傳統(tǒng)手寫代碼中有益的經(jīng)驗(yàn)，在MATLAB/Simulink環(huán)境下開發(fā)數(shù)據(jù)字典對模型中的變量及數(shù)據(jù)類型進(jìn)行管理可以減少模型定點(diǎn)化工作，提升開發(fā)速度。

1 變量存儲管理

    Simulink提供了名為Simulink的包（Package），用于描述變量的名稱、維數(shù)、物理值、取值范圍、單位、描述以及數(shù)據(jù)類型的名稱^[3]。Simulink包在生成代碼時(shí)不支持變量的Flash段定義，而是將模型中的變量當(dāng)做普通變量來處理。另一方面，不同類型的標(biāo)定變量的存儲結(jié)構(gòu)與查表差值函數(shù)的接口定義、數(shù)據(jù)讀取方法直接相關(guān)。尤其對于曲線和曲面變量，Simulink生成代碼時(shí)會將模型中的每個(gè)變量獨(dú)立定義，這就導(dǎo)致屬于同一CUR/MAP的軸參數(shù)等出現(xiàn)分散定義的情況，地址不一定連續(xù)，順序也很可能是混亂的，這對于查表插值函數(shù)的影響相對較小，調(diào)整函數(shù)接口即可順利讀取到變量的軸數(shù)據(jù)地址，但是這將給a2l文件的生成帶來極大麻煩，因?yàn)楹茈y通過軟件來識別分析每個(gè)軸變量分別屬于哪個(gè)CUR/MAP，也就無法生成正確的描述信息來描述標(biāo)定變量。所以要設(shè)計(jì)專門的包將標(biāo)定變量定義到指定的Flash段中，從而盡可能減小對已有查表插值函數(shù)的改動，并且便于手工修改變量，最大限度兼容已有的手寫代碼的變量結(jié)構(gòu)定義方式。

1.1 數(shù)據(jù)類型實(shí)現(xiàn)

    MATLAB中可以表示浮點(diǎn)數(shù)和定點(diǎn)數(shù)變量，浮點(diǎn)數(shù)變量有兩種表示方法：一種是矩陣類型的變量，使用雙精度浮點(diǎn)數(shù)，可在m語言和Simulink中使用；另一種是Parameter數(shù)據(jù)類，可在Simulink中使用。定點(diǎn)數(shù)變量也有兩種表示方法：一種是Parameter數(shù)據(jù)類；另一種是fi對象，適用于m語言。所以本文使用Parameter數(shù)據(jù)類來表示數(shù)據(jù)類型^[4-5]。另外，根據(jù)從前手寫代碼的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則，使用斜率和偏移來定義定點(diǎn)數(shù)，使用單精度浮點(diǎn)數(shù)來表示浮點(diǎn)數(shù)，并將以前使用的數(shù)據(jù)類型都導(dǎo)入到MATLAB中。

1.2 變量及其存儲實(shí)現(xiàn)

    在Embedded Coder自動生成代碼時(shí)，要盡可能按照不同查表模塊結(jié)構(gòu)定義方式生成變量。基于Embedded Coder的包自定義適合單片機(jī)的包,使得Simulink模型中的變量的各項(xiàng)屬性滿足在代碼生成時(shí)的各種要求。建立包的過程如圖1所示。

    首先創(chuàng)建一個(gè)自定義的包，在該包上定義所需的數(shù)據(jù)類：定義Parameter數(shù)據(jù)類用于表達(dá)標(biāo)定變量，定義Signal數(shù)據(jù)類用于表達(dá)監(jiān)控變量。各數(shù)據(jù)類的屬性會默認(rèn)繼承Simulink包中相應(yīng)數(shù)據(jù)類的屬性。發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的查表模塊必須定義在指定的Flash段空間內(nèi)，所以需要定義數(shù)據(jù)類的自定義儲存類CSC（Custom Storage Class）來定制變量的儲存屬性，例如數(shù)據(jù)類型（結(jié)構(gòu)體或非結(jié)構(gòu)體）、內(nèi)存塊Memory Section（定義變量聲明和定義所在的儲存區(qū)域）、鏈接屬性（是否聲明為外部變量）等屬性。

2 創(chuàng)建查表模塊

    查表模塊用于在模型中使用定點(diǎn)或浮點(diǎn)數(shù)據(jù)查表進(jìn)行建模仿真，在創(chuàng)建查表模塊時(shí)可以分為兩個(gè)步驟：查表模塊的封裝和相應(yīng)的底層內(nèi)存管理模塊封裝。

2.1 查表模塊封裝

    查表模塊要在Simulink中進(jìn)行使用，在Simulink環(huán)境中可以封裝S函數(shù)來實(shí)現(xiàn)自定義功能。使用C語言編寫查表模塊的S函數(shù)。查表模塊S函數(shù)模塊的開發(fā)流程如圖2所示，主要分為編寫S函數(shù)文件和S函數(shù)模塊封裝兩部分。下面以曲線（Curve）模塊為例來詳細(xì)描述如何創(chuàng)建查表模塊。

    曲線插值查表模塊含有1個(gè)輸入、1個(gè)輸出和7個(gè)參數(shù)，7個(gè)參數(shù)分別為：(1)CUR的x軸變量；(2)CUR的y軸變量；(3)CUR的x軸數(shù)據(jù)類型；(4)CUR的y軸數(shù)據(jù)類型；(5)CUR的x軸數(shù)據(jù)類型編號；(6)CUR的y軸數(shù)據(jù)類型編號；(7)CUR名稱。

    首先，根據(jù)曲線插值查表模塊的特性編寫S函數(shù)的C源代碼，其中須包含Simulink規(guī)定的必須有的宏定義和頭文件，針對查表模塊還應(yīng)當(dāng)包含定點(diǎn)數(shù)相關(guān)的頭文件等；實(shí)現(xiàn)參數(shù)的獲取和設(shè)置的各種回調(diào)方法，具體包括：

    (1)初始化回調(diào)：設(shè)置S函數(shù)的參數(shù)信息、狀態(tài)信息、輸入輸出端口信息、采樣時(shí)間信息、工作向量信息、仿真選項(xiàng)，具體流程如圖3所示。

    (2)參數(shù)檢查回調(diào)，用來檢查x軸數(shù)據(jù)類型名稱、維數(shù)、單調(diào)性是否有效，檢查y軸數(shù)據(jù)類型名稱是否有效、維數(shù)是否與x軸一致，具體流程如圖4所示。

    (3)采樣時(shí)間回調(diào)：設(shè)置采樣時(shí)間信息，具體流程如圖5所示。

    (4)運(yùn)行時(shí)參數(shù)回調(diào)：用來建立運(yùn)行時(shí)參數(shù)（Run-Time Parameter），即將CUR的軸變量注冊成為運(yùn)行時(shí)參數(shù)以獲取其儲存值，具體流程如圖6所示。

    (5)輸出回調(diào)：用來獲取輸入、CUR數(shù)據(jù)，設(shè)置輸出，流程如圖7所示。

    (6)RTW回調(diào)：用戶來將參數(shù)傳遞給RTW文件，具體流程如圖8所示。

    然后，將C源代碼編譯為mex文件。在Simulink中自建模塊庫，使用S-Function模塊完成參數(shù)封裝，并與mex文件鏈接，完成查表模塊的封裝。

2.2 底層內(nèi)存管理模塊封裝

    繼續(xù)以曲線插值查表模塊為例，為使該模塊生成的代碼能夠與底層庫中的查表插值函數(shù)和內(nèi)存管理函數(shù)相結(jié)合，定義以下接口方式使得曲線插值查表模塊生成如下格式的代碼來調(diào)用查表插值函數(shù)：

    輸出=曲線查表插值函數(shù)(x軸Flash地址，x軸點(diǎn)數(shù)，x輸入)

    在底層庫的查表插值函數(shù)中，首先調(diào)用內(nèi)存管理模塊的接口函數(shù)，根據(jù)CUR的Flash地址查得其RAM地址，再讀取RAM地址中的CUR，進(jìn)行查表插值。在代碼生成時(shí)，CUR模塊要生成兩部分代碼：一是要生成頭文件中的查表插值函數(shù)的聲明語句，只需生成一遍；二是對于每個(gè)CUR模塊生成一次查表插值函數(shù)調(diào)用語句。底層內(nèi)存管理模塊封裝具體流程如圖9所示。

3 仿真與代碼實(shí)驗(yàn)

    在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)類型基本上是定點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)類型。本節(jié)以無符號、16位、斜率為2^-5、偏移為0的定點(diǎn)類型為例，研究運(yùn)用定點(diǎn)數(shù)所建立的查表模塊在仿真和生成代碼中的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)通過兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加法、減法、乘法、除法的不溢出和溢出計(jì)算來比較定點(diǎn)運(yùn)算在仿真和代碼中的表現(xiàn)。仿真設(shè)計(jì)如圖10所示。

    實(shí)驗(yàn)中，定點(diǎn)數(shù)a_fixed等于1，通過Lookp_1D_CUR查表模塊得出輸出為7.11，由于該定點(diǎn)類型的精度為0.031 25，因此查表得出的輸出為7.125。另一個(gè)定點(diǎn)數(shù)b_fixed等于11.7，同樣也丟失了一些精度，但在工程應(yīng)用中還可以接受。從圖10中可以看出，對于不溢出的加法、減法、乘法、不除0除法運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果受兩個(gè)輸入的影響也損失了一定精度。除0在理論上是不存在的，仿真實(shí)驗(yàn)中計(jì)算結(jié)果為2 047.968 75，即儲存值達(dá)到最大值為65 535。d_fixed+e_fixed實(shí)驗(yàn)了溢出加法計(jì)算，a_fixed查表后的結(jié)果減去b_fixed實(shí)驗(yàn)了溢出減法計(jì)算，d_fixed與f_fixed相乘實(shí)驗(yàn)了溢出乘法計(jì)算，其結(jié)果如圖10所示，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

    將該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纱a后查看其代碼的表現(xiàn)，結(jié)果顯示在進(jìn)行加法、減法、乘法計(jì)算時(shí)，單片機(jī)中的計(jì)算結(jié)果與前述仿真結(jié)果一致。在進(jìn)行除法計(jì)算時(shí)，單片機(jī)中的計(jì)算結(jié)果為：如果被除數(shù)小于除數(shù)，則結(jié)果為0，否則結(jié)果為商的整數(shù)部分。這與仿真結(jié)果明顯不同。這是因?yàn)镾imulink的除法模塊在進(jìn)行除法計(jì)算時(shí)，是先將除數(shù)與被除數(shù)當(dāng)做浮點(diǎn)數(shù)來計(jì)算浮點(diǎn)形式的商，然后再用定點(diǎn)類型來顯示這個(gè)商。這是定點(diǎn)代碼在代碼中的表現(xiàn)與在仿真中的表現(xiàn)的最大差異處。

4 結(jié)論

    本文基于Embedded Coder 進(jìn)行了發(fā)動機(jī)的變量存儲管理、查表模塊封裝和底層內(nèi)存管理模塊封裝，從而定制了生成代碼中的變量定義方式和儲存方式，并將其與底層庫中的查表插值函數(shù)接口相匹配，使得查表模塊可以進(jìn)行仿真計(jì)算、離線數(shù)據(jù)標(biāo)定，其生成發(fā)動機(jī)控制代碼能夠支持在線標(biāo)定和離線燒寫。仿真和代碼實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建查表模塊可以滿足開發(fā)需求；定點(diǎn)數(shù)在仿真和代碼中的表示都會損失一定的精度；定點(diǎn)數(shù)在仿真和代碼中進(jìn)行加法、減法、乘法計(jì)算結(jié)果一致，除法計(jì)算會有差異。

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作者信息:

陰晉冠1，蘇鐵熊1，馮云鵬2，劉  濤3，賈  利3，周慧芳3，張艷崗1

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051；

2.北京特種車輛研究所，北京100072；3.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津300400）