基于模型的软件开发环境SCADE的技术特点和开发流程设计浅析
在过程控制和运动控制系统中，特别是在嵌入式控制系统中，pid（比例-微分-积分）控制器因其结构简单，物理意义明确，使用中不需精确的系统模型等先决条件应用广泛。鉴于嵌入式控制系统设计的严格要求，传统的嵌入式pid控制器通常采用手工编程来实现。该种实现方式费时费力，可靠性低。为解决传统设计方法不足，本文研究了基于模型的高安全性应用程序开发环境-scade的技术特点，在该环境下完成了pid控制器的设计与仿真，并对生成的代码进行了分析和效率测试。最终表明，该设计方法切实有效。
1 scade软件设计流程
scade（safety-critical application develooment environment）是esterel teclmologies公司研制的一套高安全性的嵌入式软件开发环境，针对嵌入式软件的特点，运用correct by construction的设计理念，提供了一种基于模型的图形化开发方式，覆盖了从需求分析到代码实现的整个软件开发流程。
scade提供了一系列的开发工具套件，实现了直观的图形化需求建模，基于模型的仿真验证，标准c代码自动生成、开发文档自动生成等多种功能。其严谨的建模理论和经过高安全性标准鉴定代码生成器kcg，保证了软件需求到产品代码的高度同步。软件设计流程如图1所示。
2 pid控制器设计
在模拟控制系统中，控制器最常用的规律是pid控制。常规pid控制系统由pid控制器和被控对象组成，具体如图2所示。
pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例（p），积分（i）和微分（d）通过线性组合，构成控制量对被控对象进行控制。其控制规律为
式中，u（t）为进入受控对象的控制变量;e（t）为误差信号，e（t）=r（t）-y（t），r（t）为给定参考输入值。由于计算机控制是一种采样控制，根据采样时刻的偏差值直接计算控制量，必须进行离散处理，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分。式（1）离散化得：
由式（2）在scade中构造pid控制器，其结果如图3所示，其中控制参数kp、ki、kd和误差ek为输入，uk为输出，t为采样时间。
3 pid控制系统实现
本控制系统中，被控制对象传递函数
，其中j=0.0067，d=0.10经离散化后得：
由式（3）在scade中构造控制对象如图4所示，uk为输入，yk为输出。
最后，由pid控制器和被控制对象，按照图2所示的结构图，构造闭环控制系统。
4 仿真分析
利用scade editor完成系统建模后，进入到模型的仿真分析阶段。scade提供了一系列的验证机制，来确保软件需求模型描述的正确性和安全性，包括模型静态检查，模拟仿真、覆盖率分析，形式验证等等。本文首先利用scade模型静态检查功能，确保模型无基本语语义错误后，使用scadesimulator进行仿真分析验证控制率，然后通过scade内置的代码生成器生成c代码，进一步对代码进行效率分析测试。
4.1 模型仿真
根据pid的特性，kp影响系统的响应速度和精度，ki影响系统的稳态精度，kd会对系统的动态特性有影响。据此，对pid控制参数进行整定，得到kp=8.0，ki=0.0，kd= 0.5。设阶跃响应r=1.0，采样时间为0.005秒。输入相应的控制参数，调用scade simulator仿真环境，得到的系统阶跃响应仿真曲线如图5所示（横坐标单位ms）。
4.2 代码测试
scade内置的代码生成器kcg可以自动生成ansi c的嵌入式产品代码，且代码是完全面向工程的产品代码，可以直接嵌入到产品中去而不需要做任何修改。因为scade模型基于严格的数学理论，它能保证代码运行的结果和仿真结果完全一致，并且该代码生成器通过了军工及航空业及能源业相关标准的鉴定。
此前软件设计人员手工编写代码，在后期验证阶段要花费大量的时间来验证程序的正确性和规范性。使用scade之后，只要模型级别仿真测试无误，那么后续该部分的代码单元测试可以省略。另外，scade提供了模型级别的覆盖率分析，对于代码的覆盖率分析也可以在模型级别完成。这样，势必能在很大程度地节省验证工作和验证时间。
为了完成代码的效率测试分析，在前面系统仿真结果正确的基础上，通过scade kcg自动生成c代码。生成的软件代码可以直接在vc等c语言开发工具下进行正确编译，添加主函数后，代码即可直接运行。此处，在主函数内添加clock 函数，用以计算程序执行一定步数所消耗的时间。主函数如下：
对代码进行编译运行，在相同环境下，将生成的代码与手写代码进行比较，得到结果如表1所示：
通过表1可以看出，scade生成的代码与手写代码在运行相同步数的情况下，所耗费的时间基本一致，代码执行效率略高。
通过分析scade生成代码发现，代码中每个变量在作用域内仅赋值一次，代码内无递归调用，无死循环，无动态指针，无动态内存分配。因此，在同样的测试标准下，scade生成的代码失效率比手写代码要小很多，相应安全性也更高。
5 结论
本文研究了基于模型的软件开发环境scade的技术特点和开发流程，在scade下完成了pid控制系统的设计、仿真、测试。通过案例研究表明，采用scade进行嵌入式软件开发，将软件开发流程的重点由编码阶段提前到设计阶段，这样更易于在设计早期发现不足。模型设计完成后，通过代码生成器自动生成代码，可在很大程度上减少开发时间和可发成本，提高开发效率。而且，scade生成的代码满足一系列的安全特性，可读性良好，和手写代码效率相当。因此，scade在高可靠性的嵌入式软件设计领域，应用前景广泛。
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1 scade软件设计流程
scade（safety-critical application develooment environment）是esterel teclmologies公司研制的一套高安全性的嵌入式软件开发环境，针对嵌入式软件的特点，运用correct by construction的设计理念，提供了一种基于模型的图形化开发方式，覆盖了从需求分析到代码实现的整个软件开发流程。
scade提供了一系列的开发工具套件，实现了直观的图形化需求建模，基于模型的仿真验证，标准c代码自动生成、开发文档自动生成等多种功能。其严谨的建模理论和经过高安全性标准鉴定代码生成器kcg，保证了软件需求到产品代码的高度同步。软件设计流程如图1所示。
2 pid控制器设计
在模拟控制系统中，控制器最常用的规律是pid控制。常规pid控制系统由pid控制器和被控对象组成，具体如图2所示。
pid控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例（p），积分（i）和微分（d）通过线性组合，构成控制量对被控对象进行控制。其控制规律为
式中，u（t）为进入受控对象的控制变量;e（t）为误差信号，e（t）=r（t）-y（t），r（t）为给定参考输入值。由于计算机控制是一种采样控制，根据采样时刻的偏差值直接计算控制量，必须进行离散处理，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分。式（1）离散化得：
由式（2）在scade中构造pid控制器，其结果如图3所示，其中控制参数kp、ki、kd和误差ek为输入，uk为输出，t为采样时间。
3 pid控制系统实现
本控制系统中，被控制对象传递函数
，其中j=0.0067，d=0.10经离散化后得：
由式（3）在scade中构造控制对象如图4所示，uk为输入，yk为输出。
最后，由pid控制器和被控制对象，按照图2所示的结构图，构造闭环控制系统。
4 仿真分析
利用scade editor完成系统建模后，进入到模型的仿真分析阶段。scade提供了一系列的验证机制，来确保软件需求模型描述的正确性和安全性，包括模型静态检查，模拟仿真、覆盖率分析，形式验证等等。本文首先利用scade模型静态检查功能，确保模型无基本语语义错误后，使用scadesimulator进行仿真分析验证控制率，然后通过scade内置的代码生成器生成c代码，进一步对代码进行效率分析测试。
4.1 模型仿真
根据pid的特性，kp影响系统的响应速度和精度，ki影响系统的稳态精度，kd会对系统的动态特性有影响。据此，对pid控制参数进行整定，得到kp=8.0，ki=0.0，kd= 0.5。设阶跃响应r=1.0，采样时间为0.005秒。输入相应的控制参数，调用scade simulator仿真环境，得到的系统阶跃响应仿真曲线如图5所示（横坐标单位ms）。
4.2 代码测试
scade内置的代码生成器kcg可以自动生成ansi c的嵌入式产品代码，且代码是完全面向工程的产品代码，可以直接嵌入到产品中去而不需要做任何修改。因为scade模型基于严格的数学理论，它能保证代码运行的结果和仿真结果完全一致，并且该代码生成器通过了军工及航空业及能源业相关标准的鉴定。
此前软件设计人员手工编写代码，在后期验证阶段要花费大量的时间来验证程序的正确性和规范性。使用scade之后，只要模型级别仿真测试无误，那么后续该部分的代码单元测试可以省略。另外，scade提供了模型级别的覆盖率分析，对于代码的覆盖率分析也可以在模型级别完成。这样，势必能在很大程度地节省验证工作和验证时间。
为了完成代码的效率测试分析，在前面系统仿真结果正确的基础上，通过scade kcg自动生成c代码。生成的软件代码可以直接在vc等c语言开发工具下进行正确编译，添加主函数后，代码即可直接运行。此处，在主函数内添加clock 函数，用以计算程序执行一定步数所消耗的时间。主函数如下：
对代码进行编译运行，在相同环境下，将生成的代码与手写代码进行比较，得到结果如表1所示：
通过表1可以看出，scade生成的代码与手写代码在运行相同步数的情况下，所耗费的时间基本一致，代码执行效率略高。
通过分析scade生成代码发现，代码中每个变量在作用域内仅赋值一次，代码内无递归调用，无死循环，无动态指针，无动态内存分配。因此，在同样的测试标准下，scade生成的代码失效率比手写代码要小很多，相应安全性也更高。
5 结论
本文研究了基于模型的软件开发环境scade的技术特点和开发流程，在scade下完成了pid控制系统的设计、仿真、测试。通过案例研究表明，采用scade进行嵌入式软件开发，将软件开发流程的重点由编码阶段提前到设计阶段，这样更易于在设计早期发现不足。模型设计完成后，通过代码生成器自动生成代码，可在很大程度上减少开发时间和可发成本，提高开发效率。而且，scade生成的代码满足一系列的安全特性，可读性良好，和手写代码效率相当。因此，scade在高可靠性的嵌入式软件设计领域，应用前景广泛。
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