基于模型的HEX自动生成工具的开发与应用

2018-08-23李哲帅周文华

机电工程 2018年8期

李哲帅，周文华，聂飞

(浙江大学能源工程学院，浙江杭州 310027)

0 引言

目前，世界上主流柴油机电控喷油系统就是高压共轨系统，而控制软件的开发成为至关重要的环节[1]。随着控制功能越来越多，基于扭矩的控制算法越来越复杂化[2]，传统手写代码的开发模式已难以胜任，采用基于模型的开发模式[3-5]，便于控制策略后续修改完善。共轨压力控制是一个实时控制系统[6]，为追求良好的响应和控制精度，需要不断摸索最优控制算法，采用模型设计方法将会极大减轻设计工作量，缩短开发周期。

通过Embedded Coder可将Simulink控制模型转换为C代码，但从C代码到可下载至单片机运行的包含程序和数据的十六进制文件(HEX文件)，仍有许多工作要做，如C代码编译链接、数据单元描述文件(ASAM MCD-2MC language, A2L)地址更新等，若人工执行，耗时耗力且容易出错。此外，模型数据管理也是个问题。

针对基于模型开发中这两个无法回避的问题，本文将利用脚本开发模型一键生成HEX工具，将Simulink模型直接转换为HEX文件。

1 总体框架设计

模型自动生成HEX工具autorun.m主要包含两部分：数据管理和HEX文件生成。具体实现流程如图1所示。

数据管理主要实现用Excel管理转换公式和模型数据。HEX文件生成包含模型编译、任务调度、代码后处理、编译链接和A2L文件更新。autorun.m脚本编写是建立在通用文件夹基础架构上的，通用文件夹基础架构如图2所示。

图2 通用文件夹基础架构

2 数据管理

本研究采用常用的Excel实现数据统一管理，用于模型仿真测试、代码生成及A2L自动生成，其相较于m文件、mat文件、sldd格式的数据字典等[7]，更加清晰直观，并可利用Excel诸多便捷功能。

2.1 转换公式

转换公式包含枚举型enumeration和数值型numeric两类，用于物理值和十六进制数之间的转换，合理的转换公式有助于提升运算速度和精度。调用自定义函数Import_ComputeMethod.m读取Excel转换信息，分别创建enumeration.m文件至Matlab搜索路径，导入numeric至Matlab工作空间，实现流程如图3所示。

2.2 模型数据

模型数据包含Simulink控制模型中的测量量和标定量。调用自定义Import_Data_Object.m函数，通过xlsfinfo.m和xlsread.m函数读取Excel数据，写入modeldata.m文件后运行，则把数据导入到Matlab工作空间，实现流程如图4所示。

3 HEX文件生成

目标是自动生成可直接下载至ECU中使用的HEX文件，以及包含正确ECU描述信息的A2L文件。代码的编译链接、A2L文件的地址更新等所有过程都是在后台完成，最终在Matlab命令窗口显示工作完成。HEX文件自动生成流程如图5所示。

图3 转换公式流程图

图4 模型数据流程图

图5 HEX文件自动生成流程图

3.1 模型编译

本研究在编译前完成如下配置：主模型选择定步长离散求解器，硬件选择Infineon-TriCore，系统目标文件选择ert.tlc；单个功能模块设置为原子单元，以便自定义其生成代码的文件名及函数名；设置标定量输出类型为从常数继承，测量量输出resolve，保证模型编译成功；最后通过rtwbuild.m函数编译模型为C代码。

3.2 任务调度

项目采用RTA-OSEK操作系统[8]，可实现喷油量、喷油正时、轨压精确控制。为避免直接面对C代码进行操作，本研究采用Excel管理任务调度信息[9]，主要配置2个初始化任务，9个时间任务，3个事件任务，任务调度函数信息表如图6所示(以10 ms任务为例)。

笔者将各功能模块函数名分别列入相应Sheet，调用自定义OSTaskFilesRewrite.m函数，通过xlsfinfo.m和xlsread.m函数读取不同Sheet中的任务函数名，并利用fopen.m和fprintf.m函数写入任务调度C文件如图7所示。

图6 10 ms任务调度信息表

3.3 代码后处理

本研究通过copyfile.m函数将Matlab自动生成C代码和脚本控制生成C代码统一拷贝至包含底层驱动和基础软件的工程路径下。

3.4 编译链接

本研究将工程路径下所有应用层及底层源代码，通过后台调用编译器方式转换为机器码。调用bat批处理文件，设定后台编译软件为cctc.exe，初始化工作空间和路径，定义CPU类型为TC 1782，参照TASKING编译器Compiler和Linker中配置生成的All options执行语句，把源代码编译成目标文件，再把目标文件和库文件链接成可执行文件，完成地址和空间分配，后台实现C代码编译链接等工作。

3.5 更新A2L文件

直接由Maltab自动生成的A2L并不完整，可通过修改相关tlc信息来自定义生成理想A2L文件。标定量定义成Parameter，测量量定义成Signal，设置Interface为ASAP2。在asap2setup.tlc中自定义静态配置，包括文件名、工程名、注释、模块名等。在asap2userlib.tlc中自定义HEADER项目信息，包括项目编号、项目版本等，设置硬件交互部分内容，如添加A2ML和IF_DATA、在MOD_PAR中设置内存范围等。将自定义设置好的tlc文件添加到Matlab搜索路径，生成自定义A2L文件。

Matlab自动生成的A2L文件不包含实际地址，需用编译器分配物理地址进行更新。添加手写代码中测量量和标定量至自动生成的A2L文件后，利用bat脚本后台调用asap2editor，结合包含编译器分配地址信息的ELF文件，生成中间地址文件MAPCONV.TMP。用TMP中真实地址替换自动生成A2L中的假地址，完成变量地址更新。

4 试验验证

该试验用高压共轨控制模型如图8所示。

试验用发动机是直列、废气涡轮增压中冷、水冷、四冲程柴油机，四缸，排量1.995 L，额定功率75 kW，额定转速3 600 r/min，最大扭矩223 Nm，怠速转速800 r/min，型号为常柴4F20TCI。在发动机试验台架上，主要通过测试启动工况、轨压控制、怠速工况及部分负荷工况等4大核心功能，实现对高压共轨控制程序的充分验证，整个试验过程中发动机均能正常运行，验证了工具自动生成HEX文件的可靠性。

4.1 启动工况

实测发动机启动过程如图9所示。

图9 启动控制过程图

启动过程十分平顺，用时2 s左右，启动成功后转速超调80 r/min左右，并快速稳定至目标怠速800 r/min，未出现“跌坑”，启动过程轨压超调量不超过80 bar，并平稳过渡至目标轨压，整个启动过程正常，满足高压共轨柴油机启动要求。

4.2 轨压控制

实测发动机轨压控制效果如图10所示。

图10 轨压控制效果图

本研究手动设定目标轨压，通过调节PID控制参数，将轨压稳态偏差限制在±5 bar内。保持转速为1 400 r/min，当目标轨压阶跃50 bar时，轨压超调20 bar左右；当目标轨压阶跃100 bar时，轨压超调30 bar左右；当目标轨压阶跃200 bar时，轨压超调60 bar左右。轨压控制采用轨压-燃油计量阀驱动电流双闭环控制策略，调节响应迅速，基本没有振荡，直接平稳过渡至目标轨压，轨压稳态偏差控制和动态响应控制效果满足要求。

4.3 怠速工况

实测发动机怠速控制过程如图11所示。

图11 怠速控制过程图

稳态空载怠速波动在±5 r/min范围内，手动设定目标怠速阶跃50 r/min，怠速超调量小于10 r/min，并迅速稳定至目标怠速，响应时间不超过1 s，满足怠速稳态和动态控制要求。

4.4 部分负荷工况

发动机部分负荷工况如图12所示。

图12 部分负荷工况控制效果图

试验分别选取10个工况点进行验证：(1)1 000 r/min下测功机设定扭矩分别为0 Nm、10 Nm、20 Nm、30 Nm；(2)1 500 r/min下测功机设定扭矩分别为0 Nm、30 Nm、50 Nm；(3)1 800 r/min下测功机设定扭矩分别为0 Nm、30 Nm、50 Nm。实测各工况下转速波动在±5 r/min范围内，轨压波动在±5 bar范围内，发动机运行稳定，满足试验要求。