學(xué)位論文基于模型的設(shè)計方法在冶金電爐智能控制中的應(yīng)用.pdf

冶金自動化研究設(shè)計院碩士研究生論文 基于模型的設(shè)計方法在冶金電爐 智能控制中的應(yīng)用 A p p l i c a t i o no fM o d e l B a s e dD e s i g nt oI n t e l l i g e n tC o n t r o l l e ro n M e t a l l u r g i cE l e c t r i cF u r n a c e 專業(yè)名稱： 研究方向： 指導(dǎo)教師姓名： 學(xué)生姓名： 申請學(xué)位級別： 論文提交日期： 控制理論與控制工程 基于模型的設(shè)計 房慶海 張德龍 碩士 2 0 10 年1 月 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本人所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容 外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論 文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。 作者簽名：避 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解冶金自動化研究設(shè)計院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，即：自動化院有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱， 可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：趔導(dǎo)師簽名： E l 期：日期： 摘要 摘要 該課題旨在研究基于模型的設(shè)計方法的實現(xiàn)技術(shù)及其在自主研發(fā)的冶金電爐智 能控制板固件開發(fā)中的應(yīng)用，著重研究自動代碼生成的冶金電爐智能控制板固件架 構(gòu)。研究在M A T L A B S i m u l i n k 軟件平臺上實現(xiàn)的基于模型設(shè)計的過程中具體而關(guān) 鍵的技術(shù)細(xì)節(jié)，為8 6 3 課題“冶金電爐智能控制系統(tǒng)“ 技術(shù)研究的核心理論成果轉(zhuǎn) 化為工業(yè)產(chǎn)品提供技術(shù)方案。 文章首先綜述了基于模型設(shè)計方法在嵌入式固件開發(fā)中的優(yōu)勢并分析了冶金電 爐智能控制系統(tǒng)的特點。接下來研究了這種設(shè)計方法在M A T L A B S i m u l i n k 軟件平 臺上實現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)以及對自主設(shè)計的開發(fā)板進(jìn)行固件開發(fā)的詳細(xì)流程。然后討論 了基于模型設(shè)計方法在冶金電爐智能控制系統(tǒng)設(shè)計上的具體應(yīng)用，以此方法實現(xiàn)了 智能溫度預(yù)報功能模塊的設(shè)計開發(fā)。最后對課題的研究情況進(jìn)行總結(jié)并對后續(xù)工作 進(jìn)行展望。 該項研究為在M A T L A B S i m u l i n k 軟件平臺上對自主研發(fā)的D S P 開發(fā)板固件設(shè) 計提供實例參考，可為工業(yè)自動化嵌入式系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒產(chǎn)品。研究表明，基于 模型的設(shè)計方法加速了系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)程，具有很強(qiáng)的可移植性，能有效保證預(yù)期設(shè)計 目標(biāo)的全面實現(xiàn)，節(jié)約開發(fā)成本，最終產(chǎn)品功能易于拓展、便于維護(hù)和升級。 關(guān)鍵詞：基于模型的設(shè)計；嵌入式實時固件；D S P ；S i m u l i n k ；智能控制器 A B S T R A C T A BS T R A C T T h es u b j e c ti si n t e n d e dt os t u d yt e c h n i c a lr e a l i z a t i o no fm o d e l - b a s e dd e s i g nm e t h o d a n di t s a p p l i c a t i o nt oi n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro nm e t a l l u r g i c e l e c t r i cf u r n a c e D e t a i l e da n ds p e c i f i c t e c h n i q u e se n g a g e di n t h ew o r k f l o wo f m o d e l - b a s e dd e s i g ni m p l e m e n t e do nM A T L A B S i m u l i n ks o f t w a r ep l a t f o r m ，w h i c ha r e c r u c i a lo nt h ep r o c e s so ft r a n s f e rb e t w e e nt h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t so fc o r et e c h n o l o g i e s a n di n d u s t r i a lp r o d u c t s ，a r et ob eu s e do nd e v e l o p i n gf i r m w a r eo nt h ec o n t r o l l e ra s g u i d e l i n eo nw o r k i n go u tp r a c t i c a ls c h e m e F i r s to fa l l ，a d v a n t a g e so f d e v e l o p i n ge m b e d d e df i r m w a r ew i t hm o d e l b a s e dd e s i g n m e t h o d o l o g yw e r es u m m a r i z e da n ds p e c i a l t i e so fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro nm e t a l l u r g i c e l e c t r i cf u r n a c ew e r ea n a l y z e d S e c o n do fa l l ，d e t a i l e dr e a l i z a t i o n t e c h n i q u e so f m o d e l b a s e dd e s i g no nM A T L A B S i m u l i n ks o f t w a r ep l a t f o r ma n ds p e c i f i cw o r k f l o w w e r es t u d i e d A n dt h e n ，a p p l i c a t i o no ft h i sd e s i g nm e t h o do ni n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro n m e t a l l u r g i ce l e c t r i cf u m a c ew e r ed i s c u s s e d ，i n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nm o d u l e W a sd e v e l o p e dw i mt h i sm e t h o d F i n a l l y , t h es t u d yW a Ss u m m a r i z e da n dt h ef o l l o w i n g t a s kW a sp r o s p e c t e d T h et e c h n i q u e ss t u d i e di nt h es u b j e c tp r o v i d e dp r a c t i c a lc a s eo ft a r g e t i n gc u s t o m b o a r d sb a s e do nT I SD S P s I th a sb e e np r o v e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fm o d e l - b a s e dd e s i g n i m p l e m e n t e di nM A T L A B S i m u l i n ks o f tp l a t f o r mo nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rf i r m w a r e h a sp r o v i d e da d v a n t a g e sa ss p e e d i n gu pd e v e l o p m e n t ，g u a r a n t e e i n gw h o l ea c h i e v e m e n t o fp r e d e s i g ne x p e c t a t i o n s ，r e d u c i n gc o s t s B e s i d e s ，t h ee m b e d d e dp r o d u c ti sb e n e f i t e d f r o mf e a t u r e so fm a x i m u mp o r t a b i l i t ya n dc o n f i g u r a b i l i t y , e a s ye x t e n s i o n sa n du p g r a d e ， c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，e t c K e y w o r d s ：M o d e l - B a s e dD e s i g n ；E m b e d d e dr e a l t i m eF i r m w a r e ；D S P ：S i m u l i n k ； I n t e l l i g e n tC o n t r o l l e r 目錄 目錄 摘 要1 A B S T R A C T i 第一章緒論1 1 1 概述1 1 2基于模型的設(shè)計方法1 1 2 1什么是基于模型的設(shè)計方法2 1 2 2 基于模型的設(shè)計方法在多領(lǐng)域的應(yīng)用2 1 3冶金電爐智能控系統(tǒng)4 1 3 1 冶金電爐智能控制板固件功能4 1 3 2 冶金電爐智能控制板硬件結(jié)構(gòu)5 1 4 各章內(nèi)容概述一5 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn)7 2 1開發(fā)平臺和流程7 2 1 1開發(fā)平臺8 2 1 2 開發(fā)流程1 2 2 1 3定制板的固件開發(fā)1 3 2 2自動代碼生成15 2 2 1從模型到項目的實現(xiàn)15 2 2 2 生成的程序結(jié)構(gòu)及代碼模塊1 7 2 2 3 集成外部代碼到生成的C 代碼中1 9 2 2 4 數(shù)據(jù)類型和變量：。2 0 2 3基于模型設(shè)計方法中的驗證技術(shù)2 3 2 3 1 早期驗證解決系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)2 4 2 3 2 測試并改進(jìn)概念模型。2 5 2 3 3生成代碼和系統(tǒng)要求的追溯2 7 2 3 4 驗證生成的源代碼2 8 2 3 5目標(biāo)環(huán)境上的組件驗證2 9 T 目錄 2 4實時嵌入式系統(tǒng)功能的實現(xiàn)3 1 2 4 1 同步任務(wù)管理31 2 4 2 異步事件處理3 3 2 4 3 任務(wù)調(diào)度3 5 第三章冶金電爐智能控制系統(tǒng)開發(fā)研究4 1 3 1冶金電爐智能控制系統(tǒng)實施方案4 1 3 1 1建立控制對象的數(shù)學(xué)模型4 1 3 1 2 上位機(jī)功能模塊的開發(fā)4 2 3 1 3 冶金電爐智能控制板固件開發(fā)4 2 3 2 鋼液溫度預(yù)報的設(shè)計實現(xiàn)5 0 3 2 1 鋼液溫度預(yù)報模型5 0 3 2 2 溫度預(yù)報模型的建立5 1 3 2 3 溫度預(yù)報模型的代碼實現(xiàn)5 4 第四章總結(jié)與展望5 6 4 1研究總結(jié)5 6 4 2 后續(xù)工作展望5 7 參考文獻(xiàn)5 8 攻讀碩士學(xué)位期間主要工作和發(fā)表論文6 l 致謝6 2 I I 第一章緒論 1 1 概述 第一章緒論 本課題根據(jù)冶金電爐智能控制板規(guī)格設(shè)計書及冶金電爐智能控制系統(tǒng)功 能規(guī)格設(shè)計書，研究基于模型的嵌入式系統(tǒng)固件( E m b e d d e dS y s t e mF i r m w a r e ) 設(shè) 計方法在開發(fā)智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的冶金電爐智能控制板中的應(yīng)用技術(shù)，把8 6 3 項目 “冶金電爐智能控制系統(tǒng)”的核心技術(shù)研究成果實現(xiàn)在冶金電爐智能控制系統(tǒng)硬件 平臺上，應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求。 冶金電爐智能控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性要求冶金電爐智能控制板具有普遍 性、特殊性以及易于拓展升級的特點。鋼鐵企業(yè)的電爐運行環(huán)境大致相同，冶金電 爐智能控制系統(tǒng)在宏觀架構(gòu)上一致。冶金電爐智能控制板完全嵌入冶金電爐智能控 制系統(tǒng)內(nèi)部，運行預(yù)定義的任務(wù)，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并給出控制信號，完成與上位 機(jī)以及熱備P L C 系統(tǒng)的通信等。但不同的電爐現(xiàn)場參數(shù)略有差異，某些實現(xiàn)細(xì)節(jié)上 需要根據(jù)具體對象做出適當(dāng)調(diào)整，即每個電爐系統(tǒng)均有其特殊性。冶金電爐在鋼鐵 冶煉過程中長期連續(xù)運行，其間鋼鐵企業(yè)對電爐進(jìn)行維護(hù)改造，需要系統(tǒng)能夠易于 維護(hù)和升級擴(kuò)展。冶金電爐智能控制板的上述特點對系統(tǒng)固件開發(fā)提出很大要求， 加重了設(shè)計的復(fù)雜度及難度。與此同時，希望開發(fā)文檔易于管理和傳承，研發(fā)的技 術(shù)成果及產(chǎn)品不會因技術(shù)人員的流動而變得難以繼承和維護(hù)【l 】【2 1 。 1 2 基于模型的設(shè)計方法 隨著硬件和存儲器的價格日益降低，功能日益強(qiáng)大，嵌入式系統(tǒng)更加普及。但 與此同時，系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度和難度也越發(fā)提高。傳統(tǒng)設(shè)計方法中，設(shè)計結(jié)果和預(yù) 期功能和性能之間的誤差只有在研發(fā)后期系統(tǒng)集成的時候才能被發(fā)現(xiàn)，而這些誤差 確是在設(shè)計初期引入的。面對這些挑戰(zhàn)，嵌入式系統(tǒng)工程師們必須采用更高效的軟 件和硬件開發(fā)方法。基于模型的設(shè)計就是解決嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一種有效的方法論 【3 1 。 第一章緒論 1 2 1 什么是基于模型的設(shè)計方法 基于模型的設(shè)計( M o d e l B a s e dD e s i g n ) ，作為高效嵌入式軟件設(shè)計的方法論， 借助通用開發(fā)環(huán)境中的一套工具實現(xiàn)設(shè)計、驗證、程序功能劃分以及自動生成代碼。 產(chǎn)呂代碼生成 棋型加密( 輸出) 圖1 基于模型設(shè)計的各組成部分及系統(tǒng)開發(fā)的V 模型 圖l 表示基于模型設(shè)計方法的組成部分以及使用該方法進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過 程的V 模型【閉?；谀Ｐ偷脑O(shè)計方法以模型為核心，首先建立系統(tǒng)功能的概念模型； 通過仿真改進(jìn)概念模型；一旦模型經(jīng)驗證完全實現(xiàn)了系統(tǒng)目標(biāo)，就形成“可執(zhí)行的 規(guī)范“ ，成為后續(xù)工作的基礎(chǔ)；最后一步使用自動代碼生成功能，將模型在硬件上實 現(xiàn)。開發(fā)過程的每一步，都可驗證模型是否實現(xiàn)了性能指標(biāo)【6 】。 V 模型充分對該實現(xiàn)過程進(jìn)行了說明。V 左側(cè)和代碼生成步驟有關(guān)，包括需求 分析、系統(tǒng)總體設(shè)計、詳細(xì)的軟件設(shè)計以及編碼。右側(cè)部分則集中在左側(cè)相關(guān)步驟 的驗證和測試，包括軟件集成和系統(tǒng)集成。該模型涵蓋了傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的各個環(huán)節(jié)， 包括定義需求、系統(tǒng)級設(shè)計規(guī)范、子系統(tǒng)設(shè)計、軟件實現(xiàn)、子系統(tǒng)集成及測試、系 統(tǒng)級集成及測試以及全部集成和測試。但V - 模型的每個環(huán)節(jié)均覆蓋傳統(tǒng)設(shè)計方案中 的多個環(huán)節(jié)，并且，V - 模型中尤其強(qiáng)調(diào)對設(shè)計的驗證過程【4 】【7 】【4 】。 1 2 2 基于模型的設(shè)計方法在多領(lǐng)域的應(yīng)用 基于模型的設(shè)計方法( M o d e l B a s e dD e s i g n ) 采用數(shù)學(xué)的和可視化的技術(shù)手段， 解決復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的問題，是作為解決控制系統(tǒng)設(shè)計固有的難度和復(fù)雜度 的手段而出現(xiàn)的，廣泛應(yīng)用于航天、國防、汽車、通信、消費類電子和醫(yī)療電子設(shè) 備。下面列舉某些實例，簡要說明基于模型的設(shè)計方法在某些領(lǐng)域的應(yīng)用及取得顯 著效果。 2 第一章緒論 1 2 2 1 汽車電子領(lǐng)域 基于模型的設(shè)計方法以及成為開發(fā)汽車嵌入式軟件的首選方法，尤其是在汽車 電控單元( E C U ) 的開發(fā)方面。它改善了技術(shù)規(guī)格定義階段、設(shè)計階段和實現(xiàn)階段。 汽車工程師采用基于模型的設(shè)計方法，將模型用作可執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范，設(shè)計算法并 用模型分析系統(tǒng)的動態(tài)行為，模擬系統(tǒng)部件與環(huán)境條件。降低了對造價昂貴的實物 原型的需求。追蹤并驗證功能是否被實現(xiàn)并滿足系統(tǒng)要求，對模型的覆蓋進(jìn)行分析， 從設(shè)計結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行完整性評估。評估從這些模型中自動生成代碼已經(jīng)成為了公認(rèn) 的E C U 軟件開發(fā)方式【J 7 1 。 通用汽車公司( G M ) 已使用T h eM a t h W o r k s 的基于模型的設(shè)計( M o d e l B a s e d D e s i g n ) 工具開發(fā)出雙模式混合動力總成控制系統(tǒng)。G M 利用科學(xué)計算和建模仿真 的軟件工具( 包括M A T L A B 和S i m u l i n k ) ，在9 個月內(nèi)設(shè)計出了動力總成原型， 這比預(yù)期開發(fā)時間短了2 4 個月。 東風(fēng)電動車輛股份有限公司( D F E V ) 使用T h eM a t h W o r k s 的M o d e l B a s e d D e s i g n ( 基于模型的設(shè)計) 工具，歷時1 8 個月開發(fā)出了一種電池管理系統(tǒng)。這種新 型電池管理系統(tǒng)已安裝到東風(fēng)E Q 6 11 0 混合動力電動城市公交客車上。與普通城市 公交車相比，這種車輛降低了3 0 的油耗，同時減少了廢氣排放。 1 2 2 2 通信領(lǐng)域 軟件無線電( s o f t w a r er a d i o ) 在一個開放的公共硬件平臺上利用不同可編程的 軟件方法實現(xiàn)所需要的無線電系統(tǒng)，簡稱S W R 。在目前的條件下可實現(xiàn)的軟件無線 電，稱作軟件定義的無線電( S o i t w a r eD e f i n e dR a d i o ，S D R ) 。 大多數(shù)S D R 設(shè)計工程師一直使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法：將系統(tǒng)架構(gòu)師定義的規(guī)范細(xì) 化為文檔，用這些文檔指導(dǎo)專注于信號處理或射頻工程領(lǐng)域的項目團(tuán)隊，然后由這 些團(tuán)隊定義硬件、設(shè)計電路、編寫軟件、運行仿真、測試并生成大量數(shù)據(jù)，這些數(shù) 據(jù)被用來驗證最終實現(xiàn)結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。盡管軟件無線電( S D R ) 的指導(dǎo)原則 是“開發(fā)一次，隨處運行，但是每當(dāng)硬件發(fā)生變化時，所有開發(fā)經(jīng)常要重新開始。 基于文本規(guī)范的傳統(tǒng)開發(fā)模式已無法滿足S D R 硬件和軟件的可移植性要求。 3 第一章緒論 部分S D R 設(shè)計工程師采用基于模型的設(shè)計思想的設(shè)計新方法，通過建立可執(zhí)行 的規(guī)范、I I M 和I S M 模型，并維護(hù)原始波形規(guī)范的可跟蹤性、確保在整個開發(fā)過程 中不斷驗證，實現(xiàn)了在不同的硬件、軟件以及S C A 核框架平臺上支持自動代碼生成 和代碼可移植性，解決了這些挑戰(zhàn)并充分發(fā)揮S D R 的潛能。 1 3 冶金電爐智能控系統(tǒng) 冶金電爐是流程工業(yè)中的重要設(shè)備，也是大型能耗設(shè)備。對提高鋼鐵質(zhì)量、產(chǎn) 量以及鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排都具有很大的意義。通過分析目前國內(nèi)外電爐冶煉工藝 現(xiàn)狀，得知我國的電爐工藝模型開發(fā)及應(yīng)用狀況與國外還有一定差距，這集中體現(xiàn) 在冶金電爐的控制系統(tǒng)上。 課題“冶金電爐智能控制系統(tǒng)( 8 6 3 計劃) “ 研究了冶金電爐的核心技術(shù)【2 】：基 于專家規(guī)則與計算智能的冶煉過程溫度預(yù)報技術(shù)，電極升降復(fù)合智能控制技術(shù)，以 及專家系統(tǒng)與分析模型結(jié)合的能量輸入優(yōu)化技術(shù)。在以上核心技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步 研究其實現(xiàn)技術(shù)，開發(fā)了智能優(yōu)化控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)中，原系統(tǒng)上位機(jī)及下 位機(jī)均采用工控機(jī)，兩級之間通過T C P I P 方式實現(xiàn)通信連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大， 成本較高。新設(shè)計的冶金電爐智能控制板是基于T M S 3 2 0 C 6 7 1 3 的硬件平臺，采用 C P C I 形式與上位機(jī)聯(lián)結(jié)，通過H P I 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)原下位機(jī)的功能。采用智 能控制板后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊，降低了成本，更提高了整體性能，對加速控制方案 產(chǎn)品化及運行維護(hù)具有重大意義。 1 3 1 冶金電爐智能控制板固件功能 固件功能主要有： ( 1 ) 電爐仿真器 電爐仿真器是一個采用延時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)( T D N N ) 的B P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型( N N ) ，根 據(jù)E A F 的過去及當(dāng)前狀態(tài)，預(yù)測下一時刻E A F 狀態(tài)，是電爐調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)。 ( 2 ) 電爐調(diào)節(jié)器 電爐調(diào)節(jié)器產(chǎn)生智能調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的信號輸出，實現(xiàn)電極升降的優(yōu)化控制，采用 標(biāo)準(zhǔn)的三層前向B P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 ( 3 ) 復(fù)合優(yōu)化綜合控制 4 第一章緒論 為了提高設(shè)定點的跟蹤精度，降低三相功率的不平衡度，減少液壓閥的動作頻 率，本系統(tǒng)采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊控制有機(jī)結(jié)合的電極升降控制算法，同時也 引進(jìn)電弧電極升降控制的專家規(guī)則，對控制系統(tǒng)的最終輸出進(jìn)行綜合判定。 ( 4 ) 高速數(shù)據(jù)采集與處理 采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，降低噪聲。主要的處理數(shù)據(jù)包括：電壓電流有效值； 功率因數(shù)； K W 因子； 有功功率無功功率視在功 P E R S S I O N 因子； 率； 諧波因子； 累計電耗； 其它所需的參數(shù)。 ( 5 ) 數(shù)據(jù)通信 主要負(fù)責(zé)與熱備P L C 之間的數(shù)據(jù)通信。 1 3 2 冶金電爐智能控制板硬件結(jié)構(gòu) 冶金電爐智能控制板以3 2 位浮點運算處理器T M S 3 2 0 C 6 7 1 3D S P 構(gòu)建硬件平 臺，采用C P C I 方式與X 8 6 計算機(jī)( 上位機(jī)) 連接，與上位機(jī)的通訊單元主要包括 C P C I 總線熱插拔控制模塊以及C P C I 總線橋接模塊。系統(tǒng)設(shè)置2 M 容量的F L A S H 存儲程序，1 6 M 容量的S D R A M 運行程序和暫存數(shù)據(jù)。與外部接口單元主要包括數(shù) 字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊R S 2 3 2 以及以太網(wǎng)通信模塊。 1 4 各章內(nèi)容概述 該課題研究冶金電爐智能控制板固件開發(fā)使用的技術(shù)，研究基于模型的設(shè)計方 法在M A T L A B S i m u l i n k 軟件平臺的實現(xiàn)。但這是一項綜合而且復(fù)雜、涉及多學(xué)科、 多專業(yè)的問題，本文難以面面俱到。課題研究的目標(biāo)在以下幾個關(guān)鍵點上： 第一章介紹該課題背景來源，闡明冶金電爐智能控制板固件開發(fā)采用基于模型 設(shè)計方法的緣由，確定采用的軟件平臺。迸一步介紹了冶金電爐智能控制板的功能 及硬件結(jié)構(gòu)。 第二章研究采用基于模型的設(shè)計方法、應(yīng)用M A T L A B S i m u l i n k 軟件平臺、以 D S P 為處理器的硬件平臺的固件開發(fā)環(huán)境以及開發(fā)平臺各部分的主要功能和作用； 自主研發(fā)的D S P 產(chǎn)品原型在該綜合開發(fā)平臺上的設(shè)計步驟和方法，以及關(guān)鍵參數(shù)的 設(shè)置和意義；討論從模型自動生成的代碼的運行方式、結(jié)構(gòu)和文件組成，用戶代碼 S 第一章緒論 與自動生成代碼的集成，研究基于模型設(shè)計的驗證技術(shù)，在設(shè)計過程中的應(yīng)用，研 究實時嵌入式系統(tǒng)中關(guān)鍵概念在該綜合開發(fā)平臺中的實現(xiàn)方式，如任務(wù)、異步事件 處理以及調(diào)度等； 第三章內(nèi)容討論該項技術(shù)在冶金電爐智能控制板固件開發(fā)中的應(yīng)用情況，應(yīng)用 該項技術(shù)建立了智能溫度預(yù)報模型； 第四章內(nèi)容對課題的研究情況進(jìn)行總結(jié)，對后續(xù)工作進(jìn)行展望。 6 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 嵌入式系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，軟件開發(fā)已經(jīng)成為一項浩大的工程。從開發(fā)方案 的制定、功能設(shè)計到具體實施，每一環(huán)節(jié)都必須嚴(yán)格把關(guān)，否則研發(fā)項目就會以失 敗而告終。軟件開發(fā)的過程是由方法論和實施工具構(gòu)成的。基于模型的設(shè)計方法是 嵌入式軟件設(shè)計的方法論，能滿足我們產(chǎn)品研發(fā)的需要。實施工具的選取也是非常 重要的，優(yōu)秀的開發(fā)平臺是研發(fā)任務(wù)順利完成的必要保障。 2 1 開發(fā)平臺和流程 M a t h W o r k s 用于基于模型設(shè)計的產(chǎn)品提供可視化的交互環(huán)境，在該環(huán)境中可以 建立、管理以及仿真模型。通過基于模型的設(shè)計，項目開發(fā)組成員可以不使用快速 原型產(chǎn)品或?qū)崟r目標(biāo)就能開始評估軟件設(shè)計。M a t h W o r k s 基于模型設(shè)計的環(huán)境允許 工程師建立物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計軟件、建模其行為，然后仿真整個系統(tǒng)預(yù)測 并優(yōu)化其性能。仿真在硬件和軟件建立之前進(jìn)行，驗證設(shè)計確實產(chǎn)生了正確的結(jié)果。 模型的本身就成為一種規(guī)范，可以從模型生成實時代碼，用于測試、快速原型以及 嵌入式實現(xiàn)。因此，避免了手寫代碼的工作，從而減少了潛在的錯誤【8 】【9 】。 該環(huán)境圖形化、結(jié)構(gòu)化的特性項目開發(fā)組成員建立動能性的模型，準(zhǔn)確地建立 文檔，并且有效地溝通他們的設(shè)計成果，減少了由于誤解和誤會而帶來的風(fēng)險。系 統(tǒng)要求和規(guī)范的改變以及修正可以便利地納入模型中，通過仿真完整地評估，自動 地反映到最終實時嵌入式軟件中。 7 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 2 1 1 開發(fā)平臺 圖2M A T L A B 輔助D S P 系統(tǒng)崮件設(shè)計綜合開發(fā)平臺 上圖是在M A T L A B S i m u l i n k 平臺上采用基于模型設(shè)計方法輔助由T ID S P 為處 理器的硬件平臺進(jìn)行固件開發(fā)的綜合開發(fā)平臺示意圖。該綜合開發(fā)平臺由三部分構(gòu) 成：M A T L A B S i m u l i n k 軟件平臺，T I 的C C S 集成開發(fā)環(huán)境，以及由J T A G 和目標(biāo) 板組成的硬件平臺。在M a t h W o r k s 提供的軟件平臺上進(jìn)行算法開發(fā)，通過仿真驗證 確定開發(fā)的算法模型滿足系統(tǒng)性能的要求；采用R T W 技術(shù)( 硎及T R WE m b e d d e d C o d e r 產(chǎn)品) 結(jié)合T a r g e tS u p p o r tP a c k a g e 生成算法模型的嵌入式C 代碼和片上外設(shè) 的驅(qū)動程序；E m b e d d e dI D EL i I l l ( ( F o rU s eW i t hT I sC C SI D E ) 起到 M A T L A B S i m u l i n k 和C C SI D E 之間的連接作用，并支持將R T W 生成的C 代碼自動 創(chuàng)建C C SI D E 中的項目文件。通過E m b e d d e dI D EL i n k ( F o rU s eW i t hT I SC C SI D E ) ， 8 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 還可以從M A T L A B 環(huán)境中編譯、調(diào)試C C S 中的項目并控制目標(biāo)開發(fā)板上實時嵌入 式程序的運行，通過C C S 與目標(biāo)開發(fā)板交換數(shù)據(jù)等操作。該項技術(shù)大大簡化了D S P 嵌入式軟件開發(fā)。 2 1 1 1 硬件平臺 硬件平臺由J T A G 仿真器和開發(fā)板以及外圍設(shè)備組成。在為產(chǎn)品開發(fā)的硬件原 型可用之前，一般先選用和產(chǎn)品相似的開發(fā)板進(jìn)行軟件開發(fā)和調(diào)試。也可以用軟件 仿真器進(jìn)行一些功能性的驗證和調(diào)試。 2 1 1 2C o d eC o m p o s e rS t u d i o ( C C S ) I D E C C SI D E 是用于T ID S P 、微處理器和應(yīng)用處理器的集成開發(fā)環(huán)境，包含了一整 套用于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序的工具。C C SI D E 包含適用于每個T I 器件系列 的編譯器，源代碼編輯器，項目開發(fā)環(huán)境，調(diào)試器，優(yōu)化器，仿真器以及許多其它 的功能。C C SI D E 提供的單用戶界面能使用戶完成應(yīng)用程序開發(fā)流程的每一步。C C S 主要部分為： ( 1 ) C C S 代碼生成工具 ( 2 ) C C S 集成開發(fā)環(huán)境 ( 3 ) D S P B I O S 插件程序和A P I ( 4 ) R T D X 插件、主機(jī)接口和A P I 2 1 1 3M A T L A B S i m u l i n k 軟件平臺 M A T L A B S i m u l i n k 為綜合開發(fā)平臺的主要組成部分，它包含許多領(lǐng)域的多種工 具箱和模塊庫，可根據(jù)特定項目選用適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品組件進(jìn)行算法開發(fā)，具體信息可查 閱相關(guān)文獻(xiàn)。此處僅對該項技術(shù)中的部分關(guān)鍵產(chǎn)品的功能和祈禱的作用作簡要說明： ( 1 ) R T W 技術(shù) R T W 技術(shù)是S i m u l i n k 的重要組成部分，是S i m u l i n k 代碼生成的基礎(chǔ)，為在 S i m u l i n k 環(huán)境中建立的圖形化算法模型或用嵌入式M A T L A B 語言子集建立的程序 化的算法生成c 或C + + 代碼和可執(zhí)行程序。整個算法模型或單個子系統(tǒng)可以生成符 O 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 合A S N I I S O 標(biāo)準(zhǔn)的C 代碼。根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)文件( S y s t e mT a r g e tF i l e ) 選項指定的 目標(biāo)系統(tǒng)，生成的代碼能夠運行在相應(yīng)的微處理器或?qū)崟r操作系統(tǒng)上。R T W 還能將 生成獨立的c 代碼編譯成可執(zhí)行的程序，用于算法的開發(fā)和測試。生成的代碼還可 用于許多實時的和非實時的應(yīng)用程序中，包括加速仿真、快速原型以及硬件在環(huán)測 試( h a r d w a r e i n t h e 1 0 0 pt e s t i n g ) 。用S i m u l i n k 模塊及內(nèi)置的分析工具可調(diào)節(jié)或檢測 生成的代碼，或者在M A T L A B 及S i m u l i n k 環(huán)境之外運行代碼并與之交互【1 0 】【1 7 】【1 8 】。 R e a l T i m eW o r k s h o pE m b e d d e dC o d e r 擴(kuò)展了R T W 代碼生成的功能，擴(kuò)展的這 些功能對嵌入式軟件開發(fā)尤為重要。使用R T WE m b e d d e dC o d e r 附加產(chǎn)品，不僅可 以使用R T W 技術(shù)的各個方面，還可以生成清晰、高效的專業(yè)水平代碼【1 9 】。 R T W 的相關(guān)參數(shù)在模型的配置參數(shù)中進(jìn)行設(shè)置：C o n f i g u r a t i o nP a r a m e t e r s R e a l T i m eW o r k s h o p 。該選項卡下面有R e p o r t 、C o m m e n t s 、S y m b o l s 、C u s t o mC o d e 、 D e b u g ，I n t e r f a c e ，C o d eS t y l e ，T e m p l a t e s ，D a t aP l a c e m e n t ，D a t aT y p eR e p l a c e m e n t ， M e m o r yS e c t i o n s 以及E m b e d d e dI D EL i n k 等子項。 ( 2 ) E m b e d d e dI D EL i n k ( T IC C S ) 【2 0 】 E m b e d d e dI D EL i l l l ( 的功能是將M A T L A B S i m u l i n k 和D S P 嵌入式軟件的集成開 發(fā)環(huán)境聯(lián)接起來。通過E m b e d d e dI D EL i l l l ( ，可以生成、編譯、測試以及優(yōu)化將部 署到用于原型研制或?qū)嶋H產(chǎn)品中的嵌入式代碼。E m b e d d e dI D EL i n k 自動完成調(diào)試、 項目生成以及運行在嵌入式處理器或集成開發(fā)環(huán)境( I D E ) 提供的指令集模擬器上 的目標(biāo)代碼驗證等任務(wù)。此外，可以在M A T L A B 和S i m u l i n k 中創(chuàng)建測試工作臺( t e s t b e n c h ) ，用于處理器在環(huán)測試方式( P r o c e s s o r - i n t h e - L o o pt c s f i n g ) 驗證手寫代碼及 生成的代碼。 E m b e d d e dI D EL i n k F o ru s ew i t hT I SC C S 專門針對T I 的D S P 系列產(chǎn)品，它與 R T W 及R T WE m b e d d e dC o d e r 聯(lián)用，能在S i m u l i n k 中以圖形化方式創(chuàng)建的算法模型 順利地轉(zhuǎn)換為C C S 中完整的項目( p r o j e c t s ) 文件，并能進(jìn)一步編譯成在嵌入式處 理器上可執(zhí)行的實時獨立程序。所生成項目不僅包含生成的應(yīng)用程序的C 代碼，還 有嵌入式軟件架構(gòu)需要的初始化、調(diào)度以及處理器實時執(zhí)行的應(yīng)用程序代碼的管理。 硬件平臺改變時，只需要改變目標(biāo)選擇模塊中處理器及開發(fā)板的相應(yīng)參數(shù)，即可重 新生成適合新硬件平臺的嵌入式C 代碼，幾乎不需手動改寫代碼，具有極強(qiáng)的可移 1 0 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 植性。E m b e d d e dI D EL i n k 主要功能有： 1 )用M A T L A B 和C C S 環(huán)境中的項目進(jìn)行交互 M A T L A B 與C C S 集成開發(fā)環(huán)境的自動接口( A u t o m a t i o nI n t e r f a c e ) ，僅與 M A T L A B 單獨使用( 不用S i m u l i n k ) ，即應(yīng)用M A T L A B 語言編寫腳本文件，自動調(diào) 試和分析C C S 中的項目，在M A T L A B 環(huán)境中察看運行時的數(shù)據(jù)并通過M A T L A B 改變目標(biāo)板上運行程序的參數(shù)。E m b e d d e dI D EL i n k 支持所有C C S 支持的T I 處理器， 接口包含兩種方式：調(diào)試模式( D e b u gM o d e ) 和R T D X 模式。 2 )與S i m u l i n k 聯(lián)合仿真 應(yīng)用E m b e d d e dI D EL i n k 和R T WE m b e d d e dC o d e r ，可以將M A T L A B 和S i m u l i n k 的算法運行在目標(biāo)處理器或集成開發(fā)環(huán)境提供的指令集仿真器上、仿真模型作為測 試工作臺進(jìn)行聯(lián)合仿真。算法部署到目標(biāo)平臺，P I L 仿真功能可以讓開發(fā)者驗證算 法代碼，而不必手工搭建一個嵌入式測試平臺。 3 )用R T W 進(jìn)行項目生成和代碼優(yōu)化 項目生成( P r o j e c tG e n e r a t o r ) 使用R T W 以及R T WE m b e d d e dC o d e r 將S i m u l i n k 模型生成完整的C C S 項目。這些產(chǎn)品生成應(yīng)用程序的C 源代碼，并根據(jù)需要包含 匯編代碼以及鏈接描述文件。應(yīng)用R T WE m b e d d e dC o d e r ，可以在M A T L A B 支持的 C 2 0 0 0 C 5 5 x C 6 0 0 0 系列的D S P 上生成代碼并進(jìn)行P I L 測試。R T W 從M A T L A B 和 S i m u l i n k 模型生成與目標(biāo)無關(guān)的算法A N S IC 代碼，與R T W 聯(lián)用時，E m b e d d e dI D E L i n k 為算法代碼添加上實時的嵌入式框架代碼，包括在目標(biāo)處理器上實時運行的必 備調(diào)度程序和中斷處理機(jī)制。E m b e d d e dI D EL i n k 還添加處理器專用的優(yōu)化表，自 動將A N S IC 代碼盡可能地替換為優(yōu)化的內(nèi)部對象，減少手工修改代碼，提高代碼 執(zhí)行效率。 對于M A T L A B 及S i m u l i n k 不能生成應(yīng)用程序的項目及代碼的處理器，R T W 仍 然支持，但必須手工完成外設(shè)軟件集成及項目創(chuàng)建的工作。 E m b e d d e dI D EL i n k 選項在模型的配置參數(shù)中進(jìn)行設(shè)置：C o n f i g u r a t i o n P a r a m e t e r s R e a l T i m eW o r k s h o p E m b e d d e dI D EL i n k 。 ( 3 ) T a r g e tS u p p o aP a c k a g e 2 1 】 T a r g e tS u p p o r tP a c k a g e 用于將M a t h W o r k s 產(chǎn)品生成的實時程序代碼部署到嵌入 1 1 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 式微處理器，微控制器，以及D S P 上。以實時方式在特定目標(biāo)上執(zhí)行R T W 生成的 代碼需要R T W 生成針對特定目標(biāo)的專用代碼，包括I O 設(shè)備驅(qū)動程序和中斷服務(wù)程 序( I S R ) 。它使外圍設(shè)備和實時操作系統(tǒng)與用S i m u l i n k 模型、S t a t e f l o w 流程圖以及 嵌入式M A T L A B 語言子集結(jié)合起來，不必手寫底層驅(qū)動程序和運行時代碼。合成 的可執(zhí)行程序可以被部署到嵌入式硬件上，用于目標(biāo)板上快速原型、實時性能分析 以及現(xiàn)場生產(chǎn)。 T a r g e tS u p p o r tP a c k a g e F o rU s e w i t hT I sC 2 0 0 0 、C 5 0 0 0 、C 6 0 0 0 模塊集分別支持 T IC 2 0 0 0 系列，C 5 0 0 0 系列以及C 6 0 0 0 系列的D S P 。M A T L A B 對T I 的D S P 支持主 要有以下幾個方面： 1 )對D S P 芯片級的支持。除了前面提到的特定硬件開發(fā)板，也支持使用 C 2 0 0 0 、C 5 5 x x 以及C 6 0 0 0 處理器的定制開發(fā)板( c u s t o mb o a r d s ) 。對 定制開發(fā)板的支持需要使用E m b e d d e dI D EL i n k 和T e x a sI n s t r u m e n t s C o d eC o m p o s e rS t u d i oa d a p t o r 。只要采用C C S 支持的D S P 芯片， M A T L A B 均能支持。內(nèi)核支持庫( C o r eS u p p o r tl i b r a r y ) 提供輸入輸 出、通信以及訪問D S P 外設(shè)或板上外設(shè)的模塊，比如C P UT i m e r 和 H a r d w a r eI n t e r r u p t 模塊。但板上外設(shè)的驅(qū)動程序需要用戶自己開發(fā)， 集成到模型中，在編譯時一同轉(zhuǎn)化為項目的代碼。 2 )開發(fā)板級的支持。如A v n e tS 3 A D S P 、D M 6 4 3 7 、C 5 5 1 0D S K 和C 6 7 1 3 D S K ，不僅支持D S P 芯片及片上資源，還支持板上外設(shè)，能直接生成 專用的驅(qū)動程序，將模型生成的代碼直接運行在目標(biāo)板上。 3 )提供T I 某些D S P 專用的優(yōu)化算法庫，如C 2 8 x 的優(yōu)化模塊C 2 8 xI Q m a t h 庫等，I Q M a t h 庫可以通過S i m u l i n k 的對話框修改這些模塊的參數(shù)，生 成高效優(yōu)化的代碼。 4 )用于M A T L A B 平臺和C C S 集成開發(fā)環(huán)境之間的聯(lián)系，如C 2 0 0 0 系列 的R T D X 以及H o s tS C IB l o c k s 。對選定的處理器系列支持片上外設(shè)和 板上的外設(shè)以及實時操作系統(tǒng)。 2 1 2 開發(fā)流程 基于模型的設(shè)計的各組成部分。基于模型的設(shè)計中，開發(fā)過程圍繞系統(tǒng)模型展 1 2 第二章基于模型設(shè)計方法的實現(xiàn) 開從需求獲取及設(shè)計到實現(xiàn)和測試。該設(shè)計方案的核心是模型，在產(chǎn)品整個開 發(fā)周期內(nèi)強(qiáng)調(diào)驗證的重要性。這種方案的簡要開發(fā)流程如下【1 8 】： ( 1 ) 建立需求文檔，驗證需求 ( 2 ) 以書面形式確切表達(dá)解決方案的功能，建立“需求文檔“ ，規(guī)定系統(tǒng)任 務(wù)，以便復(fù)查和驗證( 需求文檔影響代碼生成過程) ( 3 ) 開發(fā)模型可執(zhí)行說明 ( 4 ) 開發(fā)詳細(xì)軟件設(shè)計 ( 5 ) 生成應(yīng)用程序代碼 ( 6 ) 集成并驗證軟件 ( 7 ) 集成、驗證并校準(zhǔn)系統(tǒng)組件 2 1 3 定制板的固件開發(fā) 冶金電爐智能控制板使用的T M S 3 2 0 c 6 7 1 3 D S P ，可以使用T a r g e tS u p p o r t P a c k a g e 為該目標(biāo)板生成代碼。C 6 0 0 0 D S P 庫中外設(shè)模塊，比如C 6 7 1 3D S KD A C 模 塊，是其硬件特有的，在用戶自主研發(fā)的硬件平臺上不能運行。該工具箱提供的所 有與硬件平臺相關(guān)的模塊都不能在用戶自主研發(fā)的硬件平臺上運行【1 2 】【2 1 1 。 2 1 3 1 典型目標(biāo)板開發(fā)過程 通常，開發(fā)環(huán)境要求完成一系列的過程，以建立模型為開始，以生成適合目標(biāo) 的代碼而結(jié)束。 ( 1 ) 建立轉(zhuǎn)換為目標(biāo)代碼的算法或程序的S i m u l i n k 模型：開發(fā)算法的方式有以 下幾種： 1 ) 用M A T L A B 代碼，使用嵌入式M A T L A B 語言子集； 2 ) S i m u l i n k 模型； 3 ) 集成到S i m