基于模型的HEX自動生成工具的開發與應用

李哲帥，周文華，聶 飛

(浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前，世界上主流柴油機電控噴油系統就是高壓共軌系統，而控制軟件的開發成為至關重要的環節[1]。隨著控制功能越來越多，基于扭矩的控制算法越來越復雜化[2]，傳統手寫代碼的開發模式已難以勝任，采用基于模型的開發模式[3-5]，便于控制策略后續修改完善。共軌壓力控制是一個實時控制系統[6]，為追求良好的響應和控制精度，需要不斷摸索最優控制算法，采用模型設計方法將會極大減輕設計工作量，縮短開發周期。

通過Embedded Coder可將Simulink控制模型轉換為C代碼，但從C代碼到可下載至單片機運行的包含程序和數據的十六進制文件(HEX文件)，仍有許多工作要做，如C代碼編譯鏈接、數據單元描述文件(ASAM MCD-2MC language, A2L)地址更新等，若人工執行，耗時耗力且容易出錯。此外，模型數據管理也是個問題。

針對基于模型開發中這兩個無法回避的問題，本文將利用腳本開發模型一鍵生成HEX工具，將Simulink模型直接轉換為HEX文件。

1 總體框架設計

模型自動生成HEX工具autorun.m主要包含兩部分：數據管理和HEX文件生成。具體實現流程如圖1所示。

數據管理主要實現用Excel管理轉換公式和模型數據。HEX文件生成包含模型編譯、任務調度、代碼后處理、編譯鏈接和A2L文件更新。autorun.m腳本編寫是建立在通用文件夾基礎架構上的，通用文件夾基礎架構如圖2所示。

圖2 通用文件夾基礎架構

2 數據管理

本研究采用常用的Excel實現數據統一管理，用于模型仿真測試、代碼生成及A2L自動生成，其相較于m文件、mat文件、sldd格式的數據字典等[7]，更加清晰直觀，并可利用Excel諸多便捷功能。

2.1 轉換公式

轉換公式包含枚舉型enumeration和數值型numeric兩類，用于物理值和十六進制數之間的轉換，合理的轉換公式有助于提升運算速度和精度。調用自定義函數Import_ComputeMethod.m讀取Excel轉換信息，分別創建enumeration.m文件至Matlab搜索路徑，導入numeric至Matlab工作空間，實現流程如圖3所示。

2.2 模型數據

模型數據包含Simulink控制模型中的測量量和標定量。調用自定義Import_Data_Object.m函數，通過xlsfinfo.m和xlsread.m函數讀取Excel數據，寫入modeldata.m文件后運行，則把數據導入到Matlab工作空間，實現流程如圖4所示。

3 HEX文件生成

目標是自動生成可直接下載至ECU中使用的HEX文件，以及包含正確ECU描述信息的A2L文件。代碼的編譯鏈接、A2L文件的地址更新等所有過程都是在后臺完成，最終在Matlab命令窗口顯示工作完成。HEX文件自動生成流程如圖5所示。

圖3 轉換公式流程圖

圖4 模型數據流程圖

圖5 HEX文件自動生成流程圖

3.1 模型編譯

本研究在編譯前完成如下配置：主模型選擇定步長離散求解器，硬件選擇Infineon-TriCore，系統目標文件選擇ert.tlc；單個功能模塊設置為原子單元，以便自定義其生成代碼的文件名及函數名；設置標定量輸出類型為從常數繼承，測量量輸出resolve，保證模型編譯成功；最后通過rtwbuild.m函數編譯模型為C代碼。

3.2 任務調度

項目采用RTA-OSEK操作系統[8]，可實現噴油量、噴油正時、軌壓精確控制。為避免直接面對C代碼進行操作，本研究采用Excel管理任務調度信息[9]，主要配置2個初始化任務，9個時間任務，3個事件任務，任務調度函數信息表如圖6所示(以10 ms任務為例)。

筆者將各功能模塊函數名分別列入相應Sheet，調用自定義OSTaskFilesRewrite.m函數，通過xlsfinfo.m和xlsread.m函數讀取不同Sheet中的任務函數名，并利用fopen.m和fprintf.m函數寫入任務調度C文件如圖7所示。

圖6 10 ms任務調度信息表

3.3 代碼后處理

本研究通過copyfile.m函數將Matlab自動生成C代碼和腳本控制生成C代碼統一拷貝至包含底層驅動和基礎軟件的工程路徑下。

3.4 編譯鏈接

本研究將工程路徑下所有應用層及底層源代碼，通過后臺調用編譯器方式轉換為機器碼。調用bat批處理文件，設定后臺編譯軟件為cctc.exe，初始化工作空間和路徑，定義CPU類型為TC 1782，參照TASKING編譯器Compiler和Linker中配置生成的All options執行語句，把源代碼編譯成目標文件，再把目標文件和庫文件鏈接成可執行文件，完成地址和空間分配，后臺實現C代碼編譯鏈接等工作。

3.5 更新A2L文件

直接由Maltab自動生成的A2L并不完整，可通過修改相關tlc信息來自定義生成理想A2L文件。標定量定義成Parameter，測量量定義成Signal，設置Interface為ASAP2。在asap2setup.tlc中自定義靜態配置，包括文件名、工程名、注釋、模塊名等。在asap2userlib.tlc中自定義HEADER項目信息，包括項目編號、項目版本等，設置硬件交互部分內容，如添加A2ML和IF_DATA、在MOD_PAR中設置內存范圍等。將自定義設置好的tlc文件添加到Matlab搜索路徑，生成自定義A2L文件。

Matlab自動生成的A2L文件不包含實際地址，需用編譯器分配物理地址進行更新。添加手寫代碼中測量量和標定量至自動生成的A2L文件后，利用bat腳本后臺調用asap2editor，結合包含編譯器分配地址信息的ELF文件，生成中間地址文件MAPCONV.TMP。用TMP中真實地址替換自動生成A2L中的假地址，完成變量地址更新。

4 試驗驗證

該試驗用高壓共軌控制模型如圖8所示。

試驗用發動機是直列、廢氣渦輪增壓中冷、水冷、四沖程柴油機，四缸，排量1.995 L，額定功率75 kW，額定轉速3 600 r/min，最大扭矩223 Nm，怠速轉速800 r/min，型號為常柴4F20TCI。在發動機試驗臺架上，主要通過測試啟動工況、軌壓控制、怠速工況及部分負荷工況等4大核心功能，實現對高壓共軌控制程序的充分驗證，整個試驗過程中發動機均能正常運行，驗證了工具自動生成HEX文件的可靠性。

4.1 啟動工況

實測發動機啟動過程如圖9所示。

圖9 啟動控制過程圖

啟動過程十分平順，用時2 s左右，啟動成功后轉速超調80 r/min左右，并快速穩定至目標怠速800 r/min，未出現“跌坑”，啟動過程軌壓超調量不超過80 bar，并平穩過渡至目標軌壓，整個啟動過程正常，滿足高壓共軌柴油機啟動要求。

4.2 軌壓控制

實測發動機軌壓控制效果如圖10所示。

圖10 軌壓控制效果圖

本研究手動設定目標軌壓，通過調節PID控制參數，將軌壓穩態偏差限制在±5 bar內。保持轉速為1 400 r/min，當目標軌壓階躍50 bar時，軌壓超調20 bar左右；當目標軌壓階躍100 bar時，軌壓超調30 bar左右；當目標軌壓階躍200 bar時，軌壓超調60 bar左右。軌壓控制采用軌壓-燃油計量閥驅動電流雙閉環控制策略，調節響應迅速，基本沒有振蕩，直接平穩過渡至目標軌壓，軌壓穩態偏差控制和動態響應控制效果滿足要求。

4.3 怠速工況

實測發動機怠速控制過程如圖11所示。

圖11 怠速控制過程圖

穩態空載怠速波動在±5 r/min范圍內，手動設定目標怠速階躍50 r/min，怠速超調量小于10 r/min，并迅速穩定至目標怠速，響應時間不超過1 s，滿足怠速穩態和動態控制要求。

4.4 部分負荷工況

發動機部分負荷工況如圖12所示。

圖12 部分負荷工況控制效果圖

試驗分別選取10個工況點進行驗證：(1)1 000 r/min下測功機設定扭矩分別為0 Nm、10 Nm、20 Nm、30 Nm；(2)1 500 r/min下測功機設定扭矩分別為0 Nm、30 Nm、50 Nm；(3)1 800 r/min下測功機設定扭矩分別為0 Nm、30 Nm、50 Nm。實測各工況下轉速波動在±5 r/min范圍內，軌壓波動在±5 bar范圍內，發動機運行穩定，滿足試驗要求。

5 結束語

(1)本研究利用m語言、tlc語言和bat腳本，完成了Simulink控制模型到單片機HEX文件一鍵式實現，成功應用于高壓共軌ECU開發項目，實踐證明：HEX自動生成工具開發的高壓共軌ECU滿足柴油機控制要求，并提升了整個開發過程自動化程度，提高了基于模型開發效率；

(2)HEX自動生成工具采用調用函數方式實現了各功能，便于后續完善，比如可通過Excel管理層次化模型信息，實現自動集成，進一步提升自動化程度，減輕了工作量，縮短了開發周期；

(3)HEX自動生成工具具有較強通用性，雖然是基于高壓共軌ECU開發項目，完成工具開發與發動機臺架試驗驗證，但也適用于其他任何ECU開發項目。