在汽車電子MBD開發(fā)中，TSMaster MBD模塊深度集成于TSMaster先進的總線分析、仿真與測試平臺，旨在為工程師提供一套從模型自動編譯、代碼集成到自動化測試的端到端無縫解決方案。本文將手把手教您從零搭建工程并構(gòu)建高效測試流程，為優(yōu)化開發(fā)工作流提供實用指南。

本文關(guān)鍵詞：TSMaster，MBD

目錄

Catalog

1. 符號說明

2.MBD說明

3.MBD基本功能介紹

4. Block（組件）說明

5. MBD模型

6. MBD工程搭建與解析

7. MBD工程結(jié)果

8. 組件相關(guān)

1

符號說明

本文中所用到的一些樣式和符號，可以參考以下表格說明。

2

MBD說明

2.1 應(yīng)用場景

模型框圖（又稱MBD）用于建模、仿真和分析動態(tài)系統(tǒng)。它采用基于方框圖的圖形化編程環(huán)境，特別適合復(fù)雜系統(tǒng)（如控制系統(tǒng)、信號處理、通信系統(tǒng)等）的仿真和設(shè)計。

TSMaster中的模型框圖使用框圖表示法，通過拖放模塊和連接信號線來構(gòu)建系統(tǒng)模型，并且支持離散時間以及混合系統(tǒng)的仿真，可在仿真過程中調(diào)整參數(shù)并立即看到結(jié)果。

模型框圖優(yōu)點如下：

▲豐富的模塊庫：包含數(shù)學(xué)運算、信號處理、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域的預(yù)定義模塊；

▲分層建模：支持通過子系統(tǒng)創(chuàng)建層次化模型；可將多個模塊組合成子系統(tǒng)；支持多級子系統(tǒng)嵌套；可創(chuàng)建條件執(zhí)行子系統(tǒng)（使能、觸發(fā)等）；

▲仿真功能：支持不同采樣率的子系統(tǒng)并行運行；自動處理不同速率模塊間的信號傳遞；

▲深度集成：可直接從TSMaster系統(tǒng)變量中讀取數(shù)據(jù)；仿真結(jié)果可以導(dǎo)出為mbd文件進行分析；可調(diào)用模型框圖中的相關(guān)函數(shù)對TSMaster進行操作；

▲支持MIL、SIL、HIL；

▲支持直接加載Simulink的sldd、slx等文件仿真

圖1: 模型框圖

2.2模型框圖

模型框圖模塊工具欄主要包含撤銷、重做、從外部打開、保存當前文件、新建模型、導(dǎo)出svg、清除運行結(jié)果、生成小程序庫、運行模型、步進和停止等常用的工程操作。

2.2.1 工具欄

圖2: 模型框圖工具欄

模型框圖工具欄中功能按鈕介紹如下：（表1: 模型框圖工具欄介紹）

New SubItem詳細介紹：（表2: New SubItem介紹）

2.2.2 模型框圖配置

2.2.2.1 模型框圖設(shè)置

模型框圖的設(shè)置中可以設(shè)置仿真開始時間、仿真結(jié)束時間、固定步長和仿真模式的設(shè)置。TSMaster中的求解器為定步長求解器，保持固定時間步長推進仿真，不會因為系統(tǒng)動態(tài)變化而調(diào)整，適用于實時仿真。

圖3: 模型框圖-設(shè)置-求解器

模型框圖的設(shè)置中的數(shù)據(jù)類型分為double（雙精度浮點）和single（單精度浮點）；模型框圖中大多是模塊默認使用double類型，適合高精度的科學(xué)計算、極大或極小數(shù)量的運算；single不是默認類型，需要顯式指定，多用于實時仿真加快計算速度（見圖4）。模型框圖的設(shè)置中綁定添加的數(shù)據(jù)倉庫后，就可以使用數(shù)據(jù)倉庫中的變量和數(shù)據(jù)類型。

圖4: 模型框圖-設(shè)置-數(shù)據(jù)類型

模型框圖的設(shè)置中的調(diào)試部分，模型調(diào)試過程中，設(shè)置仿真在特定時間點暫停，暫停后通過步進進行仿真。（見圖5）

圖5 : 模型框圖-設(shè)置-調(diào)試

2.3模型管理器

模型管理器界面中包括三個模塊：模型列表、數(shù)據(jù)倉庫和全局設(shè)置。工具欄中主要兩個功能：打開所有和關(guān)閉所有。

圖6 : 模型管理器界面顯示

模型列表中顯示當前TSMaster工程中加載的所有模型框圖的相關(guān)信息，包塊名稱、類型、版本、最后修改、狀態(tài)和文件路徑（模型框圖的介紹詳見2.2）。

圖7 : 模型管理器-模型列表

數(shù)據(jù)倉庫中顯示當前TSMaster工程中添加的所有數(shù)據(jù)倉庫的相關(guān)信息，包塊名稱、類型、版本、最后修改、狀態(tài)和文件路徑（數(shù)據(jù)倉庫的介紹詳見2.4）。

圖8 : 模型管理器-數(shù)據(jù)倉庫

在全局設(shè)置的“模型搜索路徑”中添加路徑（或添加級聯(lián)路徑）。添加了環(huán)境變量Path路徑后引用的a模型依賴b，c，d，把b c d的路徑加入后，打開a模型時就可以完整打開a b c d。

圖9 : 模型管理器-全局設(shè)置

2.4數(shù)據(jù)倉庫

數(shù)據(jù)倉庫是存儲模型相關(guān)數(shù)據(jù)的持久性存儲庫?？梢源鎯Χx參數(shù)和信號的設(shè)計數(shù)據(jù)，還可以包括定義模型行為的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)倉庫不存儲仿真數(shù)據(jù)，即模型仿真時進出 Inport 和 Outport 模塊的輸入或輸出。數(shù)據(jù)倉庫中的條目都是持久性的。

數(shù)據(jù)倉庫包括三個模塊：變量、數(shù)據(jù)類型和屬性。

數(shù)據(jù)倉庫中保存配置為JSON格式文件，JSON文件中定義數(shù)據(jù)倉庫名稱、最后修改者、添加的數(shù)據(jù)類型和變量的相關(guān)信息，也可以通過導(dǎo)入原先保存的JSON文件將變量、數(shù)據(jù)類型等信息添加進來。

圖10 : 數(shù)據(jù)倉庫界面

2.4.1 變量

數(shù)據(jù)倉庫中的變量模塊中可以添加信號和參數(shù)，可以將變量模塊導(dǎo)出為C代碼，再將C代碼導(dǎo)入到C小程序中，變量模塊中的添加的所有變量可以在C小程序中使用。

圖11 : 數(shù)據(jù)倉庫變量與C小程序

數(shù)據(jù)倉庫的變量模塊可以導(dǎo)入Simulink數(shù)據(jù)字典。添加的變量數(shù)據(jù)的類型可以修改為其他類型，例如：double、single、int8、uint8、int16、uint16、int32、uint32、int64、uint64和boolean，也可以是數(shù)據(jù)類型中添加的類型（數(shù)據(jù)類型詳見2.4.2），例如：Enum:EnumType、Bus:BusType、Value:ValueType、Numeric:NumericType等；變量中的初始值、類型、數(shù)組大小、最大值、最小值、單位和描述均能修改。

圖12 : 數(shù)據(jù)倉庫-變量

數(shù)據(jù)倉庫中的變量與模型框圖的關(guān)聯(lián)：在模型框圖中添加組件（以 DataStoreRead 為例），在設(shè)置中將數(shù)據(jù)類型與已添加的數(shù)據(jù)倉庫（例如 DataRepo）綁定。此時，DataStoreRead 中的數(shù)據(jù)存儲可以選擇數(shù)據(jù)倉庫中添加的變量，而 Constant 組件則可以讀取數(shù)據(jù)倉庫中變量所添加的參數(shù)（例如 Para）。如下圖：

圖13 : 數(shù)據(jù)倉庫與模型框圖的聯(lián)系

2.4.2 數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)類型模塊可以添加變量類型、總線類型、枚舉類型、別名類型和數(shù)值類型；數(shù)據(jù)類型中添加的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為C頭文件，在C小程序中導(dǎo)入頭文件，數(shù)據(jù)類型中的所有類型可以在C小程序中使用；將.h文件加載到libs\common路徑下，C小程序中全局定義引用頭文件，即可使用調(diào)用頭文件中的數(shù)據(jù)類型。

圖14 : 數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)類型與C小程序

數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)類型的枚舉類型可以添加枚舉數(shù)據(jù)，修改默認值和存儲類型，其他的數(shù)據(jù)類型則支持修改名稱和描述。

圖15 : 數(shù)據(jù)倉庫-數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)類型與模型框圖的聯(lián)系：在模型框圖中添加組件（以Constant為例），設(shè)置中數(shù)據(jù)類型中的數(shù)據(jù)倉庫綁定已添加的數(shù)據(jù)倉庫（以DataRepo為例），Constant中的輸出數(shù)據(jù)類型可以選擇數(shù)據(jù)倉庫中添加的數(shù)據(jù)類型，如下圖：

圖16 : 數(shù)據(jù)倉庫與模型框圖的聯(lián)系

2.4.3 屬性

數(shù)據(jù)倉庫中的屬性模塊可以添加已創(chuàng)建的數(shù)據(jù)倉庫，移除數(shù)據(jù)倉庫和打開數(shù)據(jù)倉庫。當一個數(shù)據(jù)倉庫（以DataRepo為例，下文均以DataRepo代指）引用另一個數(shù)據(jù)倉庫（以DataRepo1為例下文均以DataRepo1代指），DataRepo的變量表和數(shù)據(jù)類型表可自由關(guān)聯(lián)DataRepo1的數(shù)據(jù)類型，但是變量表不會顯式DataRepo1中的變量。

圖17 : 數(shù)據(jù)倉庫的依賴

3

MBD 基本功能介紹

3.1 基礎(chǔ)功能

3.1.1 快捷操作

3.1.2 Block(組件) 操作

4

Block(組件)說明

4.1組件功能

5

MBD 模型

5.1Simulink模型

從MATLAB官網(wǎng)中下載RollAxisAutopilot.slx(網(wǎng)址1)和RollAxisAutopilotHarness.slx（網(wǎng)址2）文件

網(wǎng)址1：

https://ww2.mathworks.cn/help/ecoder/gs/getting-started-with-embedded-coder.html；

網(wǎng)址2：

https://ww2.mathworks.cn/help/ecoder/gs/compare-model-simulation-and-generated-code-results.html

5.1.1 RollAxisAutopilot模型介紹

5.1.1.1 關(guān)于模型

該模型顯示了為代碼生成而設(shè)計的橫滾軸自動駕駛儀控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

該模型代表了一種基本的滾轉(zhuǎn)軸自動駕駛儀，具有兩種操作模式：滾轉(zhuǎn)姿態(tài)保持和航向保持。這些模式的模式邏輯在此模型之外。模型架構(gòu)將航向保持模式和基本橫滾姿態(tài)功能表示為原子子系統(tǒng)。

橫滾姿態(tài)控制功能是一個PID控制器，它使用橫滾姿態(tài)和橫滾率反饋來產(chǎn)生副翼指令。

控制器的輸入是基本橫滾角參考或橫滾命令，以跟蹤所需的航向。模型如下：

圖18: RollAxisAutopilot示意圖

5.1.1.2 RollAxisAutopilot/RollAngleReference

基本側(cè)傾角參考計算作為子系統(tǒng)RollAngleReference實現(xiàn)。

圖19：RollAxisAutopilot/RollAngleReference示意圖

5.1.1.3 RollAxisAutopilot/HeadingMode

子系統(tǒng)HeadingMode計算橫滾指令以跟蹤所需的航向。

圖20: RollAxisAutopilot/HeadingMode示意圖

5.1.1.4 RollAxisAutopilot/BasicRollMode

子系統(tǒng)BasicRollMode計算側(cè)翻姿態(tài)控制函數(shù)（PID）。

圖21: RollAxisAutopilot/BasicRollMode示意圖

5.1.2 模型導(dǎo)入

將RollAxisAutopilotHarness.slx文件拖拽到TSMaster中，模型會直接被加載到模型框圖中如下圖：

圖22: RollAxisAutopilotHarness示意圖

模型框圖中的Signal Editor組件中的FileName中roll_harness_TestInputs.mat文件放到RollAxisAutopilotHarness.slx同級目錄，將roll_harness_TestInputs_Maneuver_1.csv文件也放到RollAxisAutopilotHarness.slx同級目錄，roll_harness_TestInputs_Maneuver_1.csv中存放的是模型的輸入數(shù)據(jù)。

模型框圖中的Signal Conversion組件將來自Signal Editor的輸入的double類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的single、boolean再輸入給子模塊Roll Axis Autopilot(此子模塊就是RollAxisAutopilot.slx的內(nèi)容，詳見5.1.1)

圖23: RollAxisAutopilotHarness運行

5.2模型結(jié)果

MATLAB中RollAxisAutopilotHarness.slx模型的運行結(jié)果如下：

圖24: RollAxisAutopilotHarness-MATLAB運行結(jié)果

TSMaster中模型框圖中加載RollAxisAutopilotHarness.slx模型的運行結(jié)果如下：

圖25: RollAxisAutopilotHarnessTSMaster運行結(jié)果

將Ail_Cmd的輸出結(jié)果寫入到系統(tǒng)變量，在TSMaster的圖形中觀察系統(tǒng)變量的變化情況。TSMaster中模型框圖可以在任意的Output空添加Display或Scope實時顯示輸出數(shù)據(jù)。

6

MBD工程搭建與解析

（工程結(jié)果詳見7.1）本文中使用的數(shù)據(jù)庫為TSMaster軟件中附帶的數(shù)據(jù)庫CAN_FD_Powertrain.dbc所在地址為TSMaster安裝路徑下\Data\Demo\Databases文件夾中。如下圖所示：

圖26: 數(shù)據(jù)庫路徑

CAN數(shù)據(jù)庫圖25中的Demo數(shù)據(jù)庫到TSMaster中，并激活CAN總線仿真，以便后續(xù)信號映射中使用。

圖27: 數(shù)據(jù)庫加載

6.1變量準備

添加CAN數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)變量，將CAN數(shù)據(jù)中的信號與系統(tǒng)變量映射方向設(shè)置為雙向傳遞，方便后續(xù)修改系統(tǒng)變量的值來控制CAN信號的變化。

圖28: 信號映射

6.2工程搭建

6.2.1 信號輸入

事先在TSMaster中添加數(shù)據(jù)庫，（注：不可以選擇最大最小值為0的信號）在信號映射將CAN信號（/EngineData/EngSpeed以為例）與系統(tǒng)變量（以Var0為例）連接在一起，映射方向設(shè)置為：僅從系統(tǒng)變量到信號。

模型框圖中的添加組件Sine Wave和DataStoreWrite，DataStoreWrite綁定系統(tǒng)變量（以Var0為例），將Sine Wave和DataStoreWrite連接在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)變量值是Sine曲線變化。

圖29: DataStoreWrite綁定

6.2.2 CAN信號的算法處理

圖30: 信號算法處理示例

簡單CAN信號算法處理，示例步驟如下：

（1）新建TSMaster工程，加載圖11中的數(shù)據(jù)庫（以CAN_FD_Powertrain.dbc為例）

圖31: 加載數(shù)據(jù)庫

（2）創(chuàng)建系統(tǒng)變量Var0

圖32: 添加系統(tǒng)變量

（3）信號映射中將系統(tǒng)變量Var0和CAN信號（以/EngineData/EngSpeed信號為例）連接，映射方向選擇“僅從系統(tǒng)變量到信號”

圖33: 系統(tǒng)變量與CAN信號映射

（4）添加模型框圖，模型框圖中添加Sine Wave和ToWorkspace組件，ToWorkspace綁定系統(tǒng)變量Var0，Sine Wave連線到ToWorkspace，實現(xiàn)系統(tǒng)變量值的Sine變化，同時實現(xiàn)CAN信號值的Sine變化

圖34: 系統(tǒng)變量值Sine變化

（5）CAN信號的算法處理：添加子系統(tǒng)operation，使用FromWorkspace讀取系統(tǒng)變量Var0的值作為輸入子系統(tǒng)，Constant作為另一個輸入給子系統(tǒng)

子系統(tǒng)中可以添加的算法模塊有：

▲微積分運算：積分器（Integrator）和微分器（Derivative）

▲離散系統(tǒng)：單位延遲（Unit Delay）、延遲（Delay）等等

▲邏輯與比較組件:Logical Operator（AND/OR/NOT等邏輯門）；Relational Operator（比較運算符，如>、<、==）；Switch（基于條件選擇信號）、Multiport Switch（多路選擇）

▲數(shù)學(xué)算法：Sum（求和）、Product（乘積）、Gain（增益乘法）、Abs（絕對值）等；Trigonometry（三角函數(shù)，如sin、cos）；Min Max（極值運算）；Exp（指數(shù)）、Log（對數(shù)）、Sqrt（平方根）

子系統(tǒng)中添加EnablePort組將，在子系統(tǒng)外添加Constant連接到EnablePort口可以通過修改Constant的值來控制是否執(zhí)行當前子系統(tǒng)。

圖35: 信號算法子系統(tǒng)詳細展示

▲輸出：子系統(tǒng)中的Output口可以連接到任意地方輸出

通過上述步驟可以在模型框圖中處理CAN信號的值，再使用輸出模塊中的Scope以圖形變化的形式展示，也可以通過Display以數(shù)值變化的形式展示，還可以使用ToWorkspace的方式再寫入到系統(tǒng)變量再將系統(tǒng)變量添加到圖形窗口觀察。所有添加的算法相關(guān)組件的連線都可以通過添加輸出模塊實時觀察每個階段的數(shù)據(jù)變化情況。

6.2.3 CAN信號邊沿檢測

圖36: 信號邊沿示例

CAN信號處理操作按照5.2.1，模型框圖中的添加組件DataStoreRead，DataStoreRead綁定系統(tǒng)變量來獲取系統(tǒng)變量值，在SubSystem中添加相關(guān)邊沿組件觀察信號邊沿變化：

（1）Edge Detector ：邊沿檢測器

（2）Detect Increase ：檢測上升，模塊輸出 1（True），否則輸出 0（False）

（3）Detect Decrease ：檢測下降，模塊輸出 1（True），否則輸出 0（False）

（4）Detect Change ：檢測任意變化，模塊輸出 1（True），否則輸出 0（False）

子模塊中的組件示意圖如下：

圖37: 信號邊沿子系統(tǒng)詳細展示

在邊沿檢測組件的輸出口可以連接輸出模塊中的Scope以圖形變化的形式展示，也可以通過Display以數(shù)值變化的形式展示。

邊沿檢測與Switch結(jié)合使用：

（1）將Edge Detector通過DataTypeConversion轉(zhuǎn)換信號類型，連接到Switch的第一個輸入信號；Switch的的控制信號連接Constant模塊（Constant值為1）；Detect Decrease轉(zhuǎn)換信號類型后，連接到Switch的第三個輸入信號， 模塊根據(jù) 控制信號 的取值選擇輸出第一個輸入信號或第三個輸入信號。

選擇性輸出下降沿檢測結(jié)果：

由于控制信號固定為 1，Switch 會始終選擇第3個輸入（即 Detect Decrease 的輸出），最終系統(tǒng)等效為一個帶數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的下降沿檢測器。

冗余設(shè)計意圖：

雖然連接了 Edge Detector 的通用邊沿檢測結(jié)果（輸入1），但通過固定控制信號將其屏蔽，僅保留 Detect Decrease 的專用下降沿檢測功能。

（2）Detect Change 連接到Manual Switch 輸入1，Constant 連接到Manual Switch 輸入2實現(xiàn)了一個 "手動控制的信號變化監(jiān)視器"。

監(jiān)控模式：輸出信號變化檢測結(jié)果（變化=1，無變化=0）；

固定輸出模式：忽略輸入信號，始終輸出預(yù)設(shè)的 Constant 值。

6.2.4 其他組件使用

模型框圖中還有其他組件實用組件，比如：

（1）Ground：輸入信號接地，防止出現(xiàn)關(guān)于未連接的輸入端口的警告

圖38: Ground示例

（2）Sign：信號符號判斷，在需要了解信號的符號是可以將Sign組件連接到連線中

圖39: Sign示例

（3）Clock:實時獲取當前模塊仿真時間

（4）Stop Simulation：在輸入信號不為0時可以立即停止仿真

圖40: Clock示例

（5）Step:可以控制信號在指定時間產(chǎn)生從初始值到終值的跳變

圖41: Step示例

（6）控制子系統(tǒng)執(zhí)行端口：Enable Port和Trigger Port

在子系統(tǒng)中加入Enable Port(或Trigger Port)，子系統(tǒng)的外部會多出一個輸入端口，在外部通過修改連接到端口的信號的值控制是否執(zhí)行當前子系統(tǒng)。

圖42: Enable Port和Trigger Port

圖43: Enable Port和Trigger Port子系統(tǒng)外部顯示

6.2.5 小程序庫使用

模型生成mp后被任意調(diào)用，實現(xiàn)圖形程序（或C小程序）運行模型框圖，更加便捷的控制模型框圖的運行。

圖44: 生成C小程序庫

添加新的圖形程序，添加執(zhí)行單元綁定API函數(shù)調(diào)用，選擇小程序庫函數(shù)，使用run函數(shù)可以實現(xiàn)在圖形程序運行模型框圖。

圖45: 圖形程序調(diào)用小程序庫

7

MBD 工程結(jié)果

7.1示例工程運行與結(jié)果

示例工程搭建完成后，在圖形程序中依次運行模型框圖。

信號輸入中將Sine Ware的值賦值給系統(tǒng)變量Var0，再通過信號映射中的配置將系統(tǒng)變量的值賦值給CAN信號，在圖形中實時看到，Trace窗口中也能看到報文變化。（5.2.2示例效果）（見圖46）

圖46: 信號輸入結(jié)果

CAN信號算法處理過程中將Sine信號和常數(shù)模塊，Sine先進行絕對值處理，再將兩者相加而后進行增益處理最后相乘，再通過Output端口輸出，連接到Scope和Display展示，可以在任意位置添加Output端口將實時數(shù)據(jù)輸出觀察。（見圖47）

圖47: 算法處理結(jié)果

CAN信號邊沿檢測檢測中，將Output1連接到Switch中輸出的不規(guī)則的信號（由控制信號決定）；將另一個Output2連接到ManualSwitch中，Input是一個常數(shù)1，所有輸出為常數(shù)1。（5.2.3示例效果）（見圖48）

圖48: 邊沿檢測結(jié)果

其他組件使用中Input2（SubSystem輸入連接的是Sine正弦波）連接到Sign，根據(jù)獲取到的信號符號輸出：如果輸入大于0，輸出為1；如果輸入等于0，輸出為0；如果輸入小于0，輸出為-1。（5.2.4示例效果）（見圖49）

Clock輸出的是實時仿真時間，連接到Output1，運行結(jié)束后展示的最后結(jié)果為設(shè)置中的仿真結(jié)束時間。

Step設(shè)置的是從2階躍到9，連接到Output2，所以展示的是最后階躍的結(jié)果。

圖49: 其他組件結(jié)果

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組件相關(guān)

8.1 組件相關(guān)

模型框圖中的組件在使用過程中可能出現(xiàn)的問題：

（1）Signal Editor組件無IO空僅支持導(dǎo)入RollAxisAutopilotHarness.slx作為演示（僅支持導(dǎo)入CSV）；

（2）Model reference目前只支持載入Simulink，支持slx和TSMaster中的mbd，目前支持用戶關(guān)聯(lián)；

（3）Constant不支持向量、復(fù)數(shù)，支持矩陣和結(jié)構(gòu)體；

（4）callback button目前只是純兼容Simulink導(dǎo)入slx不報錯，沒有任何實際作用；

（5）Chart組件中的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)條件中的變量目前不會主動創(chuàng)建；

8.2API相關(guān)

組件FunctionCaller中綁定的API中有部分API只針對小程序，在函數(shù)列表中僅供展示。