在汽車電子開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，基于模型的設(shè)計(jì)以其高效率、高集成度和便于驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)，正日益成為主流的開(kāi)發(fā)范式。作為連接模型與物理世界的橋梁，TSMaster的MBD功能模塊扮演著至關(guān)重要的角色。它將MATLAB/Simulink模型無(wú)縫集成到總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，使得工程師能夠在真實(shí)的硬件在環(huán)測(cè)試臺(tái)上，對(duì)控制模型進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，或?qū)⒛Ｐ妥鳛樘摂MECU參與到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真中。本文將深入解析TSMaster中MBD工程的搭建流程與核心功能。

TSMaster MBD 概念解析

1. MBD 的基本概念

基于模型的設(shè)計(jì)（Model-Based Design，MBD）是一種軟件工程方法，它在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)使用模型為中心的方法。MBD通過(guò)使用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述系統(tǒng)的行為和特性，為復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一種數(shù)學(xué)化與可視化的創(chuàng)新方法。

2.TSMaster MBD 模塊

TSMaster模型框圖模塊是同星智能開(kāi)發(fā)的類Simulink的建模模塊，用于支持基于模型開(kāi)發(fā)模式（MBD），通過(guò)拖放模塊和連接信號(hào)線來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)模型，支持連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間以及混合系統(tǒng)的仿真。當(dāng)前已發(fā)布的模塊功能包含如下內(nèi)容：

1. 豐富的模塊庫(kù)：包含數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域的預(yù)定義模塊；

2. 分層建模：支持通過(guò)子系統(tǒng)創(chuàng)建層次化模型；可將多個(gè)模塊組合成子系統(tǒng)；支持多級(jí)子系統(tǒng)嵌套；可創(chuàng)建條件執(zhí)行子系統(tǒng)（使能、觸發(fā)等）；

3. 仿真功能：支持不同采樣率的子系統(tǒng)并行運(yùn)行；自動(dòng)處理不同速率模塊間的信號(hào)傳遞；

4. 深度集成：可直接從TSMaster系統(tǒng)變量中讀取數(shù)據(jù)；仿真結(jié)果可以導(dǎo)出為mbd文件進(jìn)行分析；可調(diào)用模型框圖中的相關(guān)函數(shù)對(duì)TSMaster進(jìn)行操作；

5. 支持MIL、SIL、HIL；

6. 支持直接加載Simulink的sldd、slx等文件仿真

MBD 工程搭建實(shí)戰(zhàn)

以下是一個(gè)詳細(xì)的步驟指南，演示如何從零開(kāi)始搭建一個(gè)完整的MBD工程。

本文中使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為TSMaster軟件中附帶的數(shù)據(jù)庫(kù)CAN_FD_Powertrain.dbc所在地址為TSMaster安裝路徑下\Data\Demo\Databases文件夾中。如下圖所示：

CAN數(shù)據(jù)庫(kù)中的Demo數(shù)據(jù)庫(kù)到TSMaster中，并激活CAN總線仿真，以便后續(xù)信號(hào)映射中使用。

1. 變量準(zhǔn)備

添加CAN數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)變量，將CAN數(shù)據(jù)中的信號(hào)與系統(tǒng)變量映射方向設(shè)置為雙向傳遞，方便后續(xù)修改系統(tǒng)變量的值來(lái)控制CAN信號(hào)的變化。

2. 工程搭建

2.1 信號(hào)輸入

事先在TSMaster中添加數(shù)據(jù)庫(kù)，（注：不可以選擇最大最小值為0的信號(hào)）在信號(hào)映射將CAN信號(hào)（/EngineData/EngSpeed以為例）與系統(tǒng)變量（以Var0為例）連接在一起，映射方向設(shè)置為：僅從系統(tǒng)變量到信號(hào)。

模型框圖中的添加組件Sine Wave和DataStoreWrite，DataStoreWrite綁定系統(tǒng)變量（以Var0為例），將Sine Wave和DataStoreWrite連接在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量值是Sine曲線變化。

2.2 CAN信號(hào)的算法處理

簡(jiǎn)單CAN信號(hào)算法處理，示例步驟如下：

（1）新建TSMaster工程，加載數(shù)據(jù)庫(kù)（以CAN_FD_Powertrain.dbc為例）

（2）創(chuàng)建系統(tǒng)變量Var0

（3）信號(hào)映射中將系統(tǒng)變量Var0和CAN信號(hào)（以/EngineData/EngSpeed信號(hào)為例）連接，映射方向選擇“僅從系統(tǒng)變量到信號(hào)”

（4）添加模型框圖，模型框圖中添加Sine Wave和ToWorkspace組件，ToWorkspace綁定系統(tǒng)變量Var0，Sine Wave連線到ToWorkspace，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量值的Sine變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CAN信號(hào)值的Sine變化

（5）CAN信號(hào)的算法處理：添加子系統(tǒng)operation，使用FromWorkspace讀取系統(tǒng)變量Var0的值作為輸入子系統(tǒng)，Constant作為另一個(gè)輸入給子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)中可以添加的算法模塊有：

▲微積分運(yùn)算：積分器（Integrator）和微分器（Derivative）

▲離散系統(tǒng)：?jiǎn)挝谎舆t（Unit Delay）、延遲（Delay）等等

▲邏輯與比較組件:Logical Operator（AND/OR/NOT等邏輯門）；Relational Operator（比較運(yùn)算符，如>、<、==）；Switch（基于條件選擇信號(hào)）、Multiport Switch（多路選擇）

▲數(shù)學(xué)算法：Sum（求和）、Product（乘積）、Gain（增益乘法）、Abs（絕對(duì)值）等；Trigonometry（三角函數(shù)，如sin、cos）；Min Max（極值運(yùn)算）；Exp（指數(shù)）、Log（對(duì)數(shù)）、Sqrt（平方根）

子系統(tǒng)中添加EnablePort組將，在子系統(tǒng)外添加Constant連接到EnablePort口可以通過(guò)修改Constant的值來(lái)控制是否執(zhí)行當(dāng)前子系統(tǒng)。

▲輸出：子系統(tǒng)中的Output口可以連接到任意地方輸出

通過(guò)上述步驟可以在模型框圖中處理CAN信號(hào)的值，再使用輸出模塊中的Scope以圖形變化的形式展示，也可以通過(guò)Display以數(shù)值變化的形式展示，還可以使用ToWorkspace的方式再寫(xiě)入到系統(tǒng)變量再將系統(tǒng)變量添加到圖形窗口觀察。所有添加的算法相關(guān)組件的連線都可以通過(guò)添加輸出模塊實(shí)時(shí)觀察每個(gè)階段的數(shù)據(jù)變化情況。

2.3 CAN信號(hào)邊沿檢測(cè)

模型框圖中的添加組件DataStoreRead，DataStoreRead綁定系統(tǒng)變量來(lái)獲取系統(tǒng)變量值，在SubSystem中添加相關(guān)邊沿組件觀察信號(hào)邊沿變化：

（1）Edge Detector ：邊沿檢測(cè)器

（2）Detect Increase ：檢測(cè)上升，模塊輸出 1（True），否則輸出 0（False）

（3）Detect Decrease ：檢測(cè)下降，模塊輸出 1（True），否則輸出 0（False）

（4）Detect Change ：檢測(cè)任意變化，模塊輸出 1（True），否則輸出 0（False）

子模塊中的組件示意圖如下：

在邊沿檢測(cè)組件的輸出口可以連接輸出模塊中的Scope以圖形變化的形式展示，也可以通過(guò)Display以數(shù)值變化的形式展示。

邊沿檢測(cè)與Switch結(jié)合使用：

1）將Edge Detector通過(guò)DataTypeConversion轉(zhuǎn)換信號(hào)類型，連接到Switch的第一個(gè)輸入信號(hào)；Switch的的控制信號(hào)連接Constant模塊（Constant值為1）；Detect Decrease轉(zhuǎn)換信號(hào)類型后，連接到Switch的第三個(gè)輸入信號(hào)， 模塊根據(jù) 控制信號(hào) 的取值選擇輸出第一個(gè)輸入信號(hào)或第三個(gè)輸入信號(hào)。

選擇性輸出下降沿檢測(cè)結(jié)果：

由于控制信號(hào)固定為 1，Switch 會(huì)始終選擇第3個(gè)輸入（即 Detect Decrease 的輸出），最終系統(tǒng)等效為一個(gè)帶數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的下降沿檢測(cè)器。

冗余設(shè)計(jì)意圖：

雖然連接了 Edge Detector 的通用邊沿檢測(cè)結(jié)果（輸入1），但通過(guò)固定控制信號(hào)將其屏蔽，僅保留 Detect Decrease 的專用下降沿檢測(cè)功能。

2）Detect Change 連接到Manual Switch 輸入1，Constant 連接到Manual Switch 輸入2實(shí)現(xiàn)了一個(gè) "手動(dòng)控制的信號(hào)變化監(jiān)視器"。

監(jiān)控模式：輸出信號(hào)變化檢測(cè)結(jié)果（變化=1，無(wú)變化=0）；

固定輸出模式：忽略輸入信號(hào)，始終輸出預(yù)設(shè)的 Constant 值。

2.4 其他組件使用

模型框圖中還有其他組件實(shí)用組件，比如：

（1）Ground：輸入信號(hào)接地，防止出現(xiàn)關(guān)于未連接的輸入端口的警告。

（2）Sign：信號(hào)符號(hào)判斷，在需要了解信號(hào)的符號(hào)是可以將Sign組件連接到連線中。

（3）Clock:實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前模塊仿真時(shí)間。

（4）Stop Simulation：在輸入信號(hào)不為0時(shí)可以立即停止仿真。

（5）Step:可以控制信號(hào)在指定時(shí)間產(chǎn)生從初始值到終值的跳變。

（6）控制子系統(tǒng)執(zhí)行端口：Enable Port和Trigger Port。

在子系統(tǒng)中加入Enable Port(或Trigger Port)，子系統(tǒng)的外部會(huì)多出一個(gè)輸入端口，在外部通過(guò)修改連接到端口的信號(hào)的值控制是否執(zhí)行當(dāng)前子系統(tǒng)。

2.5 小程序庫(kù)使用

模型生成mp后被任意調(diào)用，實(shí)現(xiàn)圖形程序（或C小程序）運(yùn)行模型框圖，更加便捷的控制模型框圖的運(yùn)行。

添加新的圖形程序，添加執(zhí)行單元綁定API函數(shù)調(diào)用，選擇小程序庫(kù)函數(shù)，使用run函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在圖形程序運(yùn)行模型框圖。

MBD 工程結(jié)果

示例工程運(yùn)行與結(jié)果

示例工程搭建完成后，在圖形程序中依次運(yùn)行模型框圖。

信號(hào)輸入中將Sine Ware的值賦值給系統(tǒng)變量Var0，再通過(guò)信號(hào)映射中的配置將系統(tǒng)變量的值賦值給CAN信號(hào)，在圖形中實(shí)時(shí)看到，Trace窗口中也能看到報(bào)文變化。

CAN信號(hào)算法處理過(guò)程中將Sine信號(hào)和常數(shù)模塊，Sine先進(jìn)行絕對(duì)值處理，再將兩者相加而后進(jìn)行增益處理最后相乘，再通過(guò)Output端口輸出，連接到Scope和Display展示，可以在任意位置添加Output端口將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出觀察。

CAN信號(hào)邊沿檢測(cè)檢測(cè)中，將Output1連接到Switch中輸出的不規(guī)則的信號(hào)（由控制信號(hào)決定）；將另一個(gè)Output2連接到ManualSwitch中，Input是一個(gè)常數(shù)1，所有輸出為常數(shù)1。

其他組件使用中Input2（SubSystem輸入連接的是Sine正弦波）連接到Sign，根據(jù)獲取到的信號(hào)符號(hào)輸出：如果輸入大于0，輸出為1；如果輸入等于0，輸出為0；如果輸入小于0，輸出為-1。

Clock輸出的是實(shí)時(shí)仿真時(shí)間，連接到Output1，運(yùn)行結(jié)束后展示的最后結(jié)果為設(shè)置中的仿真結(jié)束時(shí)間。

Step設(shè)置的是從2階躍到9，連接到Output2，所以展示的是最后階躍的結(jié)果。

掌握TSMaster MBD模塊，意味著您能將基于模型設(shè)計(jì)的效率優(yōu)勢(shì)從仿真領(lǐng)域無(wú)縫延伸至實(shí)車測(cè)試與驗(yàn)證，極大地壓縮開(kāi)發(fā)周期，提升系統(tǒng)可靠性。關(guān)于TSMaster MBD 相關(guān)組件說(shuō)明歡迎閱讀《TSMaster MBD模塊全解析：從模型搭建到自動(dòng)化測(cè)試的完整實(shí)踐》。