V-Model軟件開發(fā)流程與模型化基礎(chǔ)設(shè)計概述2017-02-27一、 前言近年來新能源車輛的崛起，車用電子控系統(tǒng)的需求量大增，加上功能需求不斷地增加，軟件算法及功能架構(gòu)勢必更加龐大復(fù)雜，早期透過hand coding方式進(jìn)行軟件開發(fā)，開發(fā)時間冗長，無法快速對應(yīng)市場的需求，且缺乏完整的開發(fā)流程及有效率的驗證方式，容易造成電子控系統(tǒng)有缺陷。目前車輛產(chǎn)業(yè)逐漸導(dǎo)入V-Model開發(fā)流程及基於模型化設(shè)計(Model-Based Design, MBD)進(jìn)行電子控制系統(tǒng)開發(fā)，具備完整的系統(tǒng)安全分析與設(shè)計規(guī)劃，并且各相關(guān)文檔間進(jìn)行交互確認(rèn)及追蹤，開發(fā)過程中不斷進(jìn)行驗證與除錯，有效地提升開發(fā)速度及系統(tǒng)的可靠性。二、V-Model開發(fā)流程車輛控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)演變至電子控系統(tǒng)后，大量使用電子零件，容易因設(shè)計不良受到干擾或損壞，以及復(fù)雜龐大的軟件功能，容易因人為程序設(shè)計的疏忽造成無法預(yù)期的控制，使車輛的失效風(fēng)險性增加。因此車輛相關(guān)領(lǐng)域的專家針對車用電子系統(tǒng)制定了ISO-26262(Road Vehicles-Functional Safety)規(guī)范。ISO-26262是以IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)建立，為車輛電子電氣功能安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)范功能安全管理(Management of functional safety)、汽車安全生命周期(Automotive Safety Lifecycle)及汽車安全完整性等級分析(Automotive Safety Integrity Levels, ASIL)。ISO-26262包含了管理、開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)及退役各階段的流程及方法，其各章節(jié)及流程架構(gòu)如圖一所示1，由圖中可清楚的瞭解，不管是硬件級別、軟件級別，甚至系統(tǒng)級別的開發(fā)，皆採用V-Model開發(fā)流程。圖一ISO26262架構(gòu)此本文將以軟件級別進(jìn)行說明，圖二為V-Model軟件開發(fā)流程 2，左邊為設(shè)計流程，由上而下執(zhí)行，系統(tǒng)設(shè)計是經(jīng)過產(chǎn)品定義、危害風(fēng)險評估、DFMEA及相關(guān)規(guī)範(fàn)等流程而產(chǎn)生，軟件開發(fā)流程依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范軟件安全需求，進(jìn)行軟件架構(gòu)與單元的設(shè)計與執(zhí)行。完成設(shè)計后，開始進(jìn)行測試流程，如圖二右邊流程，由下而上分別進(jìn)行軟件單元測試、軟件集成測試及軟件安全需求驗證，最后再進(jìn)行系統(tǒng)集成測試。在各階段的測試均有相對應(yīng)的設(shè)計需求進(jìn)行驗證，若無法滿足設(shè)計需求，可回朔進(jìn)行檢討修改，不斷地反復(fù)進(jìn)行以確保與設(shè)計需求一致及避免設(shè)計缺陷。圖二V-Model軟件開發(fā)流程三、基於模型化設(shè)計在傳統(tǒng)的hand coding開發(fā)流程中，軟件需等待硬件完成后，才可進(jìn)行軟件功能測試，因此開發(fā)時間冗長。在軟件功能測試時，不易進(jìn)行單一功能測試，需以完整的軟件功能進(jìn)行測試，發(fā)生異常時，將造成問題解析困難度增加。基於模型化設(shè)計其特色為透過圖形化接口進(jìn)行控制邏輯模型建立，對于沒有程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員也可以輕易上手，快速實(shí)現(xiàn)控制策略，如圖三所示3。不需由程序設(shè)計人員執(zhí)行撰寫程序，可避免溝通上的誤解，所造成設(shè)計結(jié)果與需求不符的狀況。圖三模型化基礎(chǔ)設(shè)計范例模型化基礎(chǔ)設(shè)計有許多軟件工具可以實(shí)現(xiàn)，其中之一為Mathworks的MATLAB/Simulink，Mathworks針對軟件開發(fā)流程各階段提供相對應(yīng)的工具箱，可在一個平臺完成軟件開發(fā)流程的工作，包含了需求追蹤、模型建立、驗證測試及自動生成程序代碼，并提供車用電子相關(guān)規(guī)范驗證機(jī)制，可以大幅縮短開發(fā)時間，以及進(jìn)行完整的測試驗證，降低失效風(fēng)險。使用MATLAB/Simulink進(jìn)行模型化基礎(chǔ)設(shè)計流程：1. 透過Word及Excel依據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行各模塊需求分析及管理，以便后續(xù)建模及程序代碼進(jìn)行追蹤。如圖四所示4。圖四需求分析及管理2. 使用MATLAB/Simulink進(jìn)行軟件開發(fā)，搭配使用SLV&V工具箱進(jìn)行需求追蹤。如圖五所示。模型化基礎(chǔ)設(shè)計在建模階段可開始進(jìn)行模型測試，無須等程序代碼生成及硬件完成。如圖六所示。圖五軟件開發(fā)及需求追蹤圖六模型測試3. 使用Auto CodeGeneration功能，自動生成程序代碼。如圖七所示。圖七自動生成程序代碼4. SLV&V及SLDV工具箱進(jìn)行單元及子系統(tǒng)的功能性及覆蓋率測試。如圖八所示。圖八單元與集成測試5. 系統(tǒng)級別的測試方式，是將完整軟件整合并搭配車輛模型，進(jìn)行完整的系統(tǒng)測試。如圖九所示。圖九系統(tǒng)功能測試四、結(jié)論在本文的介紹中可發(fā)現(xiàn)基于模型化設(shè)計與V-Model軟件開發(fā)流程是非常緊密的結(jié)合，各開發(fā)流程均有相對應(yīng)的工具可以協(xié)助設(shè)計人員能依循開發(fā)流程進(jìn)行并快速完成各流程的工作。自動生成程序代碼功能，使設(shè)計人員無須花費(fèi)時間撰寫程序代碼，并有相關(guān)法規(guī)驗證機(jī)制，可預(yù)防人為的程序撰寫疏忽，以提升開發(fā)速度及系統(tǒng)可靠性。這樣的優(yōu)勢在未來勢必會全面導(dǎo)入在車用電子系統(tǒng)中。瀚路新能源汽車的整車控制器產(chǎn)品，使用MATLAB / Simulink的基于模型化設(shè)計方式進(jìn)行軟件開發(fā)，并采用V-Model開發(fā)流程，可在最短的時間內(nèi)，開發(fā)符合客戶需求的產(chǎn)品。同時瀚路新能源汽車研發(fā)團(tuán)隊，擁有功能安全分析的完整經(jīng)驗，可提供客戶更高水平的產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)1 ISO 26262, /obp/ui/#iso:std:iso:26262:-1:ed-1:v1:en2 V-cubedSolution,/?page_id=8433 MarhworksMatlab Simulink example,/help/ecoder/examples/getting-started-with-embedded-coder.html?requestedDomain=4 ModellbasiertzuHigh-Integrity-Robotern, http:/www.embedded-design