基于Targetlink的自動代碼生成及其在電池管理系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

涂成姣

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州510641）

基于Targetlink的自動代碼生成及其在電池管理系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

涂成姣

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州510641）

采用V模式的開發(fā)流程對混合動力車用高壓動力電池的電池管理系統(tǒng)BMS進(jìn)行了開發(fā)。對動力電池BMS的功能需求進(jìn)行分析，開發(fā)相關(guān)控制策略，并在MATLAB／Simulink平臺上進(jìn)行建模仿真。然后應(yīng)用Targetlink工具進(jìn)行自動代碼生成，并通過硬件在環(huán)HIL仿真平臺對自動生成的代碼進(jìn)行了驗(yàn)證。

V模式；電池管理系統(tǒng)；自動代碼生成；HIL

0 引言

隨著汽車市場競爭越來越激烈，如何安全、可靠、快速地開發(fā)汽車電子系統(tǒng)成為整車廠和供應(yīng)商所關(guān)心的重要問題。在傳統(tǒng)的汽車電子控制器的設(shè)計(jì)開發(fā)中，軟件采用手工編碼的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、容易出錯(cuò)而且過程難以回溯，即錯(cuò)誤的排除也比較困難，不利于代碼優(yōu)化。在新型電子控制系統(tǒng)的發(fā)展中，出現(xiàn)了一套成熟的汽車電控系統(tǒng)開發(fā)模式——V模式開發(fā)。其中，自動代碼生成技術(shù)可以自動直接從圖形模型生成目標(biāo)處理器上的代碼，不僅保證了代碼與模型的高度一致性，也使得控制器開發(fā)更加高效有序。

1 V模式開發(fā)流程及Targetlink自動代碼生成

V模式開發(fā)模式不僅成功應(yīng)用了自動控制理論的諸多控制算法，而且還結(jié)合系統(tǒng)工程的概念。如圖1所示，V模式開發(fā)流程包括了功能模型設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)、快速原型和代碼生成技術(shù)、HIL仿真和標(biāo)定技術(shù)等。該模式的特點(diǎn)是無論進(jìn)行開發(fā)、編程或測試，總是在同一環(huán)境下工作，開發(fā)過程的每一步都可以得到驗(yàn)證［1］。軟件和硬件可以同步并行開發(fā)，測試和驗(yàn)證貫穿整個(gè)開發(fā)過程，從而大大加速和簡化了開發(fā)流程，同時(shí)也可以盡早消除系統(tǒng)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。

V模式依托強(qiáng)大的計(jì)算仿真工具，實(shí)現(xiàn)了將控制器模型直接移植到目標(biāo)ECU的無縫連接。自動代碼生成部分是開發(fā)過程中的關(guān)鍵，是設(shè)計(jì)階段與驗(yàn)證階段之間的橋梁，加速了開發(fā)效率。Targetlink是一個(gè)從MATLAB／Simulink圖形化開發(fā)環(huán)境中直接生成產(chǎn)品級C代碼的工具［2］?；赥argetlink的自動代碼生成流程如圖2所示［3］。首先根據(jù)功能需求在MATLAB／Simulink環(huán)境下搭建功能模型，并進(jìn)行仿真分析［4］。然后將Simulink模型轉(zhuǎn)化為Targetlink模型，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行變量定標(biāo)、算法優(yōu)化、設(shè)置代碼生成選項(xiàng)等工作，并針對Targetlink模型進(jìn)行仿真分析。一旦模型驗(yàn)證通過，就可以通過Targetlink工具自動生成高效的C代碼。然后進(jìn)行Tasking集成編譯鏈接，將生成的.s19文件下載至硬件平臺。從流程可以看出，開發(fā)者只需在MATLAB／Simulink中搭建功能模型及進(jìn)行仿真驗(yàn)證即可。

2 自動代碼生成在電池管理系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 電池管理系統(tǒng)

混合動力車用電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，具備以下功能：電池狀態(tài)監(jiān)控，包括總電壓、電流、溫度的檢測；電池SOC（State of Charge）／SOH（State of Health）估算；最大充放電功率計(jì)算；上下電及預(yù)充電控制；絕緣檢測和故障診斷；電池均衡和熱管理以及與整車控制器、子板的通信功能。BMS的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 建立Simulink／Targetlink模型

根據(jù)系統(tǒng)需求，BMS功能模型主要分為三大部分：輸入模塊、功能模塊和輸出模塊。

輸入模塊對所有輸入的模擬量、數(shù)字量及CAN信號進(jìn)行處理。為保證信號的可靠性和有效性，對所有輸入信號進(jìn)行范圍檢查和防抖處理。其基本原理在于：當(dāng)信號開始超出允許范圍時(shí)，使用上一時(shí)刻的正常值，而當(dāng)信號超出允許范圍且持續(xù)一段時(shí)間時(shí)，將采用默認(rèn)值替代，同時(shí)上報(bào)信號錯(cuò)誤信息；隨后如果信號開始恢復(fù)正常，該信號仍保持默認(rèn)值一段時(shí)間，直到達(dá)到一定時(shí)間后，信號恢復(fù)為當(dāng)前的輸入值，同時(shí)清除信號錯(cuò)誤信息。另外，對于模擬信號，必須首先經(jīng)過低通濾波處理后再進(jìn)行范圍和有效性檢查。

輸出模塊。為了方便測試驗(yàn)證，所有輸出信號，包括模擬量、數(shù)字量及CAN信號均用標(biāo)定量進(jìn)行手動覆蓋。

功能模塊。將上述系統(tǒng)功能細(xì)分為7個(gè)子系統(tǒng)，包括上下電模塊、故障診斷模塊、SOC模塊、SOH模塊、功率估算模塊、熱管理模塊和均衡模塊。

如圖4所示，經(jīng)過處理后的輸入信號作為所有功能模塊的輸入，功能模塊進(jìn)行控制策略實(shí)現(xiàn)后，將相關(guān)控制信號和狀態(tài)信息輸送給輸出模塊。在信號最終輸出給外部執(zhí)行器之前，會進(jìn)行錯(cuò)誤檢測和診斷，從而保證輸出信號的準(zhǔn)確性。

2.3 Targetlink變量定標(biāo)

在MATLAB／Simulink平臺上進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，此時(shí)數(shù)據(jù)都是浮點(diǎn)數(shù)。然而大部分處理器都是定點(diǎn)計(jì)算，數(shù)據(jù)必須定點(diǎn)存儲和計(jì)算，因?yàn)楸仨殞刂颇Ｐ椭兴凶兞窟M(jìn)行大小和精度范圍的設(shè)置，即 “定標(biāo)”。為了獲得足夠的計(jì)算精度，保證計(jì)算過程中沒有溢出，每個(gè)變量都必須根據(jù)其可能的大小來分配取值范圍和數(shù)據(jù)長度。

變量x和它的整數(shù)表達(dá)式x′之間的關(guān)系為：

x＝LSB x′＋aOffset

其中：LSB指對應(yīng)x′的最低有效位（Least Significant Bit），aOffset是給定的偏移量。

TargetLink軟件都能夠提供以下幾種定標(biāo)方式：2底數(shù)冪定標(biāo) （LSB值是2的冪數(shù)）；非2底數(shù)冪定標(biāo) （任意定標(biāo)）：含有0偏移限制或不含0偏移限制。

一般而言，如圖5所示，2底數(shù)冪的定點(diǎn)運(yùn)算要比任意定標(biāo)運(yùn)算簡單且快速，而任意定標(biāo)運(yùn)算卻有更高的計(jì)算準(zhǔn)確度，同時(shí)也增加了代碼長度，造成運(yùn)算速度的下降。

如圖6所示，定標(biāo)后的所有數(shù)據(jù)均在數(shù)據(jù)字典DD（Data Direction）中統(tǒng)一管理，并與模型變量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2.4 自動代碼生成及集成編譯

混合動力車用的BMS軟件由三部分組成：底層驅(qū)動軟件、鏈接層軟件以及應(yīng)用層軟件 （控制算法）。其中，應(yīng)用層軟件全部采用Simulink建模方式實(shí)現(xiàn)，并在MATLAB／Simulink平臺上進(jìn)行仿真驗(yàn)證無誤后，就直接從模型生成C代碼；底層軟件是對硬件的包裝，包括所有硬件相關(guān)代碼，在開發(fā)過程中將底層軟件封裝為硬件抽象層HAL，所有對底層硬件的具體配置均在HAL層完成；鏈接層軟件是底層軟件與應(yīng)用層軟件的連接軟件，主要用于在上電時(shí)初始化底層軟件，實(shí)現(xiàn)由底層軟件到應(yīng)用層軟件的輸入數(shù)據(jù)傳輸和由應(yīng)用層軟件到底層軟件的輸出數(shù)據(jù)傳輸，并在下電前關(guān)閉底層軟件。

如圖7所示，要將自動生成的應(yīng)用層代碼和手動編寫的底層、鏈接層代碼集成編譯和鏈接，生成可執(zhí)行文件，才能下載到目標(biāo)硬件中。

2.5 HIL仿真驗(yàn)證

電池管理系統(tǒng)HIL測試，是通過采用真實(shí)的BMS硬件，而電池包和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境則通過HIL實(shí)時(shí)模型進(jìn)行仿真。建立BMS硬件與仿真器（HIL實(shí)時(shí)模型）的閉環(huán)回路，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真測試。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

HIL仿真平臺可用于控制器硬件I／O測試、CAN接口測試、軟件功能算法測試 （如上下電流程，故障診斷，SOC估算等）等。測試結(jié)果如表1和圖9所示。其中，綠色表示測試結(jié)果通過。

表1 HIL測試項(xiàng)目及結(jié)果

從圖9可看出：給定的溫度輸入與BMS采集溫度值基本一致，HIL模型收到的CAN報(bào)文也與BMS發(fā)出的報(bào)文一致，證實(shí)了自動代碼生成的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

在MATLAB／Simulink平臺上用Targetlink工具實(shí)現(xiàn)控制器的自動代碼生成，極大地加快了電動汽車電池管理系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程，縮短了開發(fā)周期。通過HIL測試結(jié)果，表明自動生成的代碼效率高且可靠，從而保證了控制器對動力電池系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性和可靠性。

【1】戴海峰，魏學(xué)哲，孫澤昌.V－模式及其在現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用［J］.機(jī)電一體化，2006，（6）：20－24.

【2】dsPACE catalog 2007.

【3】dsPACEGmbH.TargetLinkBasic（VS.3.0）-Production Code Generation Guide.Germany：dsPACE GmbH，2009.

【4】The MathWorks，Nattick.Simulink User's Guide［M］.The Math-Works，Nattick，1998.

Automatic Code Generation Based on Targetlink and Its Application in Battery Management System

TU Chengjiao
（Automotive Engineering Institute，Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510641，China）

Based on the V-model development process，batterymanagement system（BMS）for high-voltage battery used on hybrid electric vehicleswas developed.Firstly，the functional requirements of BMSwere analyzed，and then the control strategies were designed.According to the algorithm，the Simulink model was built and themodel simulation was completed.Once themodel was validated，automatic code generation based on Targetlink was performed.Finally，the code was validated on the hardware in the loop（HIL）platform.

V-model；Batterymanagement system；Automatic code generation；Hardware in the loop（HIL）

2014－02－21

涂成姣（1987—），碩士，研究方向?yàn)樾履茉窜噭恿﹄姵叵到y(tǒng)。E-mail：tuchengjiao＠gaei.cn。