基于Targetlink的自動代碼生成及其在電池管理系統開發中的應用

涂成姣

（廣州汽車集團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開發中的應用

涂成姣

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州510641）

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

V模式；電池管理系統；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、快速地開發汽車電子系統成為整車廠和供應商所關心的重要問題。在傳統的汽車電子控制器的設計開發中，軟件采用手工編碼的方式，不僅費時費力、容易出錯而且過程難以回溯，即錯誤的排除也比較困難，不利于代碼優化。在新型電子控制系統的發展中，出現了一套成熟的汽車電控系統開發模式——V模式開發。其中，自動代碼生成技術可以自動直接從圖形模型生成目標處理器上的代碼，不僅保證了代碼與模型的高度一致性，也使得控制器開發更加高效有序。

1 V模式開發流程及Targetlink自動代碼生成

V模式開發模式不僅成功應用了自動控制理論的諸多控制算法，而且還結合系統工程的概念。如圖1所示，V模式開發流程包括了功能模型設計和仿真技術、快速原型和代碼生成技術、HIL仿真和標定技術等。該模式的特點是無論進行開發、編程或測試，總是在同一環境下工作，開發過程的每一步都可以得到驗證［1］。軟件和硬件可以同步并行開發，測試和驗證貫穿整個開發過程，從而大大加速和簡化了開發流程，同時也可以盡早消除系統設計的錯誤。

V模式依托強大的計算仿真工具，實現了將控制器模型直接移植到目標ECU的無縫連接。自動代碼生成部分是開發過程中的關鍵，是設計階段與驗證階段之間的橋梁，加速了開發效率。Targetlink是一個從MATLAB／Simulink圖形化開發環境中直接生成產品級C代碼的工具［2］。基于Targetlink的自動代碼生成流程如圖2所示［3］。首先根據功能需求在MATLAB／Simulink環境下搭建功能模型，并進行仿真分析［4］。然后將Simulink模型轉化為Targetlink模型，并根據實際需要進行變量定標、算法優化、設置代碼生成選項等工作，并針對Targetlink模型進行仿真分析。一旦模型驗證通過，就可以通過Targetlink工具自動生成高效的C代碼。然后進行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，開發者只需在MATLAB／Simulink中搭建功能模型及進行仿真驗證即可。

2 自動代碼生成在電池管理系統開發中的應用

2.1 電池管理系統

混合動力車用電池管理系統BMS（Battery Management System）是一個嵌入式實時監控系統，具備以下功能：電池狀態監控，包括總電壓、電流、溫度的檢測；電池SOC（State of Charge）／SOH（State of Health）估算；最大充放電功率計算；上下電及預充電控制；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的系統框圖如圖3所示。

2.2 建立Simulink／Targetlink模型

根據系統需求，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、數字量及CAN信號進行處理。為保證信號的可靠性和有效性，對所有輸入信號進行范圍檢查和防抖處理。其基本原理在于：當信號開始超出允許范圍時，使用上一時刻的正常值，而當信號超出允許范圍且持續一段時間時，將采用默認值替代，同時上報信號錯誤信息；隨后如果信號開始恢復正常，該信號仍保持默認值一段時間，直到達到一定時間后，信號恢復為當前的輸入值，同時清除信號錯誤信息。另外，對于模擬信號，必須首先經過低通濾波處理后再進行范圍和有效性檢查。

輸出模塊。為了方便測試驗證，所有輸出信號，包括模擬量、數字量及CAN信號均用標定量進行手動覆蓋。

功能模塊。將上述系統功能細分為7個子系統，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，功能模塊進行控制策略實現后，將相關控制信號和狀態信息輸送給輸出模塊。在信號最終輸出給外部執行器之前，會進行錯誤檢測和診斷，從而保證輸出信號的準確性。

2.3 Targetlink變量定標

在MATLAB／Simulink平臺上進行仿真驗證后，此時數據都是浮點數。然而大部分處理器都是定點計算，數據必須定點存儲和計算，因為必須對控制模型中所有變量進行大小和精度范圍的設置，即 “定標”。為了獲得足夠的計算精度，保證計算過程中沒有溢出，每個變量都必須根據其可能的大小來分配取值范圍和數據長度。

變量x和它的整數表達式x′之間的關系為：

x＝LSB x′＋aOffset

其中：LSB指對應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方式：2底數冪定標 （LSB值是2的冪數）；非2底數冪定標 （任意定標）：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底數冪的定點運算要比任意定標運算簡單且快速，而任意定標運算卻有更高的計算準確度，同時也增加了代碼長度，造成運算速度的下降。

如圖6所示，定標后的所有數據均在數據字典DD（Data Direction）中統一管理，并與模型變量數據進行關聯。

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：底層驅動軟件、鏈接層軟件以及應用層軟件 （控制算法）。其中，應用層軟件全部采用Simulink建模方式實現，并在MATLAB／Simulink平臺上進行仿真驗證無誤后，就直接從模型生成C代碼；底層軟件是對硬件的包裝，包括所有硬件相關代碼，在開發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用層軟件的連接軟件，主要用于在上電時初始化底層軟件，實現由底層軟件到應用層軟件的輸入數據傳輸和由應用層軟件到底層軟件的輸出數據傳輸，并在下電前關閉底層軟件。

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

2.5 HIL仿真驗證

電池管理系統HIL測試，是通過采用真實的BMS硬件，而電池包和系統運行環境則通過HIL實時模型進行仿真。建立BMS硬件與仿真器（HIL實時模型）的閉環回路，進行整個系統的仿真測試。其基本結構框圖如圖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。測試結果如表1和圖9所示。其中，綠色表示測試結果通過。

表1 HIL測試項目及結果

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報文也與BMS發出的報文一致，證實了自動代碼生成的準確性。

3 結論

在MATLAB／Simulink平臺上用Targetlink工具實現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的開發進程，縮短了開發周期。通過HIL測試結果，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控制的準確性和可靠性。

【1】戴海峰，魏學哲，孫澤昌.V－模式及其在現代汽車電子系統開發中的應用［J］.機電一體化，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，研究方向為新能源車動力電池系統。E-mail：tuchengjiao＠gaei.cn。