α-β濾波基于SCADE Suite的開發

馬文希 張巧

摘 要：SCADE Suite主要用于嵌入式控制軟件的設計、驗證和代碼生成。本文利用完成了α-β濾波的代碼開發，與傳統的代碼編寫相比較縮短了開發周期，可視化更強，調試驗證方便快捷，圖形化的方法便于開發人員快速學習運用。

關鍵詞：代碼生成;α-β濾波;嵌入式控制軟件;圖形化開發;實時仿真

1SCADE軟件試用

1.1 SCADE簡介

SCADE 是一種圖形化、模塊化，基于自頂向下的控制流和數據流設計的軟件開發工具。SCADE結合Lustre和Esterel兩種語言進行設計，屬于強類型語言，能夠提供數據流運算符、控制結構體和層次化狀態機，其語義規范，無歧義，支持循環式的程序執行方式。SCADE Suite基于形式化語言和嚴謹的數學理論，為研制人員設計出高安全性的系統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發環境。SCADE使用同步語言，創建無歧義并且自動實現、規范方面有著強大的優勢，SCADE的圖形描述首先轉換成LUSTRE語言，再通過LUSTRE轉化成C語言或ADA語言。其中LUSTRE語言可以看成是SCADE的核心。

LUSTRE是一種基于數據流的同步程序設計語言，LUSTRE應用于反應系統。它是確定性的，是基于時間的同步模型。它的同步模型使它適合在程序中處理時間、并被編譯成高效的程序。整個系統看作實時交互的節點集，實則構成了一種時間演算系統，可以刻畫出系統的動態行為，該技術在許多安全關鍵系統中已經得到了成功的應用。能有效地控制和使用系統資源、確定任務的時限、描述系統的行為。LUSTRE的時間模型可以為程序員精確提供精確的時間控制;并發性則為指定控制系統提供了便利;完整的確定性;有限狀態機語言;容易分析、執行時間可預測、更容易驗證、服從軟件的實現。

1.2 α-β濾波跟蹤模型設計

當機動目標模型建立之后，就要對目標進行跟蹤，主要是對目標的距離信息、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行跟蹤，預測目標的運動參數。濾波就是從混合在一起的諸多信號中提取出所需要的信號。α-β濾波是一種簡單并且在工程上易于實現得濾波方法。以α-β濾波模型設計作為SCADE軟件建模的目標。該模型功能較為獨立，適合作為單一軟件模塊進行設計。

2 傳統工具軟件設計過程

2.1 需求分析

2.1.1 跟蹤模型處理過程

根據工作狀態，選取對應的濾波參數。根據目標坐標預測值及本周期測量結果，進行目標坐標及速度估值，估值完成后，進行下周期坐標預測。

2.1.2 濾波跟蹤模型輸入輸出

（1）輸入參數為目標上周期濾波結果、間隔時間、濾波系數組;

（2）輸出參數為目標本周期濾波結果。

2.2 軟件設計

目標跟蹤軟件中的α-β濾波跟蹤模型如下。

3 SCADE工具軟件設計過程

3.1常量設計

根據需求分析，進行對應的常量設計，其中包含濾波系數等常量參數。包括目標當前拍的距離信息、方位角信息、俯仰角信息。

3.2 數據類型設計

根據需求分析，進行對應的數據類型設計，其中主要包含濾波系數結構體、、濾波系數數組等。包括目標的距離信息、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設計

根據實際需要定義相應的類型，確保在PC機進行模型測試與目標機的數據類型相符。整形根據實際需要選擇8位，16位，32位或64位。浮點型根據需要選擇32位（單精度）或64位（雙精度）。將常用的模塊集成到庫，以便重用;建議設計清晰表達所實現的功能，如：一節點包含計數功能，調用庫節點“counter”，而不是直接在當前節點中構建計數器;即使某些子功能不會重用，但只要它很復雜難以理解，就應該構建實現子功能的操作符。當操作符的內容無法在一個圖形頁設計完畢時，建議將操作符內容分到多個圖形頁（diagram）中去設計;而當實現圖形頁的一部分過于復雜或者圖形頁數量過大時，建議考慮將實現內容封裝到新操作符中。對齊方式中輸入采用左對齊，輸出采用右對齊。變量與變量對齊，常量與常量對齊，運算符與運算符對齊。相同操作符可以按照不同情況設置為等寬，或等高，或大小相同。

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

Operator設計如圖所示：

3.4 工程構建及仿真測試

軟件建模完成后，選擇Opt_Main模塊進行Check，Check通過后，選擇Simulation模式進行編譯，編譯完成后，點擊運行。在運行前，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據。初始化完成后，選擇仿真運行時間開始仿真。在仿真過程中，可隨時觀測模塊各級輸入輸出接口數據變化情況。計算結果與輸入的上周期坐標預測值基本一致，符合目標濾波跟蹤模型的要求。

4 總結

運用SCADE工具對數據計算類的軟件進行設計開發，進行數據仿真比較靈活，可以動態的觀測仿真數據。繼而得出結論，SCADE Suite的優勢主要體現在：軟件的模塊劃分比較清晰，開發周期較短，而且生成的文檔快速完整，通過圖形化的方法進行系統建模，并且可以進行動態仿真，為開發者提供了極大的便利，SCADE Suite在以后的運用中會得到極大的推廣。

參考文獻：

[1]張合軍.基于SCADE的無人機飛行控制系統軟件設計[M].南京航空航天大學，2007.

[2]李紳.基于Scade Suite的數字濾波器設計[M].中國電子科機集團公司第二十研究所.