α-β濾波基于SCADE Suite的開(kāi)發(fā)

馬文希 張巧

摘 要：SCADE Suite主要用于嵌入式控制軟件的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和代碼生成。本文利用完成了α-β濾波的代碼開(kāi)發(fā)，與傳統(tǒng)的代碼編寫(xiě)相比較縮短了開(kāi)發(fā)周期，可視化更強(qiáng)，調(diào)試驗(yàn)證方便快捷，圖形化的方法便于開(kāi)發(fā)人員快速學(xué)習(xí)運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：代碼生成;α-β濾波;嵌入式控制軟件;圖形化開(kāi)發(fā);實(shí)時(shí)仿真

1SCADE軟件試用

1.1 SCADE簡(jiǎn)介

SCADE 是一種圖形化、模塊化，基于自頂向下的控制流和數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)工具。SCADE結(jié)合Lustre和Esterel兩種語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬于強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言，能夠提供數(shù)據(jù)流運(yùn)算符、控制結(jié)構(gòu)體和層次化狀態(tài)機(jī)，其語(yǔ)義規(guī)范，無(wú)歧義，支持循環(huán)式的程序執(zhí)行方式。SCADE Suite基于形式化語(yǔ)言和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論，為研制人員設(shè)計(jì)出高安全性的系統(tǒng)和軟件提供了充分的支持。提供了友好直觀的基于模型的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。SCADE使用同步語(yǔ)言，創(chuàng)建無(wú)歧義并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)、規(guī)范方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，SCADE的圖形描述首先轉(zhuǎn)換成LUSTRE語(yǔ)言，再通過(guò)LUSTRE轉(zhuǎn)化成C語(yǔ)言或ADA語(yǔ)言。其中LUSTRE語(yǔ)言可以看成是SCADE的核心。

LUSTRE是一種基于數(shù)據(jù)流的同步程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，LUSTRE應(yīng)用于反應(yīng)系統(tǒng)。它是確定性的，是基于時(shí)間的同步模型。它的同步模型使它適合在程序中處理時(shí)間、并被編譯成高效的程序。整個(gè)系統(tǒng)看作實(shí)時(shí)交互的節(jié)點(diǎn)集，實(shí)則構(gòu)成了一種時(shí)間演算系統(tǒng)，可以刻畫(huà)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，該技術(shù)在許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。能有效地控制和使用系統(tǒng)資源、確定任務(wù)的時(shí)限、描述系統(tǒng)的行為。LUSTRE的時(shí)間模型可以為程序員精確提供精確的時(shí)間控制;并發(fā)性則為指定控制系統(tǒng)提供了便利;完整的確定性;有限狀態(tài)機(jī)語(yǔ)言;容易分析、執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)、更容易驗(yàn)證、服從軟件的實(shí)現(xiàn)。

1.2 α-β濾波跟蹤模型設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型建立之后，就要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，主要是對(duì)目標(biāo)的距離信息、方位角信息、俯仰角信息以及距離變化率信息、方位角變化率信息、俯仰角變化率信息進(jìn)行跟蹤，預(yù)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。濾波就是從混合在一起的諸多信號(hào)中提取出所需要的信號(hào)。α-β濾波是一種簡(jiǎn)單并且在工程上易于實(shí)現(xiàn)得濾波方法。以α-β濾波模型設(shè)計(jì)作為SCADE軟件建模的目標(biāo)。該模型功能較為獨(dú)立，適合作為單一軟件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 傳統(tǒng)工具軟件設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 需求分析

2.1.1 跟蹤模型處理過(guò)程

根據(jù)工作狀態(tài)，選取對(duì)應(yīng)的濾波參數(shù)。根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)預(yù)測(cè)值及本周期測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行目標(biāo)坐標(biāo)及速度估值，估值完成后，進(jìn)行下周期坐標(biāo)預(yù)測(cè)。

2.1.2 濾波跟蹤模型輸入輸出

（1）輸入?yún)?shù)為目標(biāo)上周期濾波結(jié)果、間隔時(shí)間、濾波系數(shù)組;

（2）輸出參數(shù)為目標(biāo)本周期濾波結(jié)果。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

目標(biāo)跟蹤軟件中的α-β濾波跟蹤模型如下。

3 SCADE工具軟件設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1常量設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的常量設(shè)計(jì)，其中包含濾波系數(shù)等常量參數(shù)。包括目標(biāo)當(dāng)前拍的距離信息、方位角信息、俯仰角信息。

3.2 數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)計(jì)，其中主要包含濾波系數(shù)結(jié)構(gòu)體、、濾波系數(shù)數(shù)組等。包括目標(biāo)的距離信息、方位角信息、俯仰角信息以及距離變化率信息、方位角變化率信息、俯仰角變化率信息。

3.3 Operator設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要定義相應(yīng)的類(lèi)型，確保在PC機(jī)進(jìn)行模型測(cè)試與目標(biāo)機(jī)的數(shù)據(jù)類(lèi)型相符。整形根據(jù)實(shí)際需要選擇8位，16位，32位或64位。浮點(diǎn)型根據(jù)需要選擇32位（單精度）或64位（雙精度）。將常用的模塊集成到庫(kù)，以便重用;建議設(shè)計(jì)清晰表達(dá)所實(shí)現(xiàn)的功能，如：一節(jié)點(diǎn)包含計(jì)數(shù)功能，調(diào)用庫(kù)節(jié)點(diǎn)“counter”，而不是直接在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)中構(gòu)建計(jì)數(shù)器;即使某些子功能不會(huì)重用，但只要它很復(fù)雜難以理解，就應(yīng)該構(gòu)建實(shí)現(xiàn)子功能的操作符。當(dāng)操作符的內(nèi)容無(wú)法在一個(gè)圖形頁(yè)設(shè)計(jì)完畢時(shí)，建議將操作符內(nèi)容分到多個(gè)圖形頁(yè)（diagram）中去設(shè)計(jì);而當(dāng)實(shí)現(xiàn)圖形頁(yè)的一部分過(guò)于復(fù)雜或者圖形頁(yè)數(shù)量過(guò)大時(shí)，建議考慮將實(shí)現(xiàn)內(nèi)容封裝到新操作符中。對(duì)齊方式中輸入采用左對(duì)齊，輸出采用右對(duì)齊。變量與變量對(duì)齊，常量與常量對(duì)齊，運(yùn)算符與運(yùn)算符對(duì)齊。相同操作符可以按照不同情況設(shè)置為等寬，或等高，或大小相同。

根據(jù)軟件流程圖，將濾波跟蹤模型劃分為3個(gè)Operator：FiltersSelectByT（根據(jù)目標(biāo)跟蹤周期選擇濾波系數(shù)組）、FiltersSelectByREB（根據(jù)距離角度標(biāo)志選擇濾波系數(shù)）、FilterProcess（濾波跟蹤處理）、Opt_Main（頂層控制）。

Operator設(shè)計(jì)如圖所示：

3.4 工程構(gòu)建及仿真測(cè)試

軟件建模完成后，選擇Opt_Main模塊進(jìn)行Check，Check通過(guò)后，選擇Simulation模式進(jìn)行編譯，編譯完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行。在運(yùn)行前，可將輸入輸出接口添加至watch窗口中，并初始化各輸入接口數(shù)據(jù)。初始化完成后，選擇仿真運(yùn)行時(shí)間開(kāi)始仿真。在仿真過(guò)程中，可隨時(shí)觀測(cè)模塊各級(jí)輸入輸出接口數(shù)據(jù)變化情況。計(jì)算結(jié)果與輸入的上周期坐標(biāo)預(yù)測(cè)值基本一致，符合目標(biāo)濾波跟蹤模型的要求。

4 總結(jié)

運(yùn)用SCADE工具對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算類(lèi)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真比較靈活，可以動(dòng)態(tài)的觀測(cè)仿真數(shù)據(jù)。繼而得出結(jié)論，SCADE Suite的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：軟件的模塊劃分比較清晰，開(kāi)發(fā)周期較短，而且生成的文檔快速完整，通過(guò)圖形化的方法進(jìn)行系統(tǒng)建模，并且可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，為開(kāi)發(fā)者提供了極大的便利，SCADE Suite在以后的運(yùn)用中會(huì)得到極大的推廣。

參考文獻(xiàn)：

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