0 引言

    基于模型的軟件開發(fā)（Module-Based Software Development，MDB）是一種軟件開發(fā)的理念和方法^[1]，其原則是使用具有完善定義和支撐工具的可視化建模語言在系統(tǒng)工程的層級構(gòu)建系統(tǒng)模型作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過對模型的不斷細(xì)化和測試來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，在此過程中持續(xù)消除其中的錯(cuò)誤和缺陷，以保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和對設(shè)計(jì)需求的全部覆蓋^[2]。該方法可有效地縮短開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率，特別適合航空航天等高安全要求領(lǐng)域，如F/A-22和“好奇”號火星車都使用了基于模型的設(shè)計(jì)和開發(fā)方法。

    MATLAB是由MathWorks公司發(fā)布的面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高性能計(jì)算環(huán)境。

    Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。

    Arduino是一個(gè)開放源代碼的軟硬件平臺，具有使用類似Java的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境^[3-4]。

    本文研究了基于模型的軟件開發(fā)特點(diǎn)和在高安全軟件開發(fā)領(lǐng)域主要工作流程，基于MATLAB/Simulink軟件平臺進(jìn)行Arduino模型化開發(fā)實(shí)例分析，實(shí)現(xiàn)了模型設(shè)計(jì)、模型調(diào)試、自動(dòng)代碼生成、自動(dòng)下載運(yùn)行以及在線調(diào)試等功能，進(jìn)行Arduino的模型化開發(fā)方法研究和分析。

1 基于模型的軟件開發(fā)

    基于模型的軟件開發(fā)使用了模型設(shè)計(jì)的工作流程和開發(fā)與測試相結(jié)合的軟件開發(fā)平臺，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程相統(tǒng)一，減少了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，降低了軟件缺陷率^[5]。在基于模型的軟件開發(fā)過程中，系統(tǒng)模型是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，需求分析、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和測試驗(yàn)證的過程都是圍繞系統(tǒng)模型進(jìn)行的。模型在整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程中不斷被細(xì)化、分解和復(fù)用，模型的測試和驗(yàn)證配合實(shí)際實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)行，產(chǎn)品的缺陷隨著開發(fā)過程的進(jìn)行不斷地暴露和解決，避免了實(shí)現(xiàn)完成后測試發(fā)現(xiàn)問題再進(jìn)行更改的現(xiàn)狀，同時(shí)自動(dòng)代碼生成有效地減少了人為引入錯(cuò)誤的可能，自動(dòng)化的驗(yàn)證和確認(rèn)使測試工程師能夠開發(fā)完整的、基于需求并可在自動(dòng)產(chǎn)生的代碼上重用的測試用例。

1.1 與傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法的對比

    傳統(tǒng)的軟件開發(fā)流程模型如圖1所示。基于模型的設(shè)計(jì)流程模型如圖2所示。

    相對于傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法，基于模型的設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于：

    (1)開發(fā)和驗(yàn)證測試的過程始終結(jié)合在一起，產(chǎn)品從需求分析到設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的各個(gè)階段均通過模型進(jìn)行不斷的驗(yàn)證；(2)產(chǎn)品的缺陷可以在初期的需求分析階段通過模型驗(yàn)證暴露出來，大大降低了后期設(shè)計(jì)完成后測試的難度和更改量，開發(fā)者只需關(guān)心算法和模型設(shè)計(jì)，源代碼使用工具軟件自動(dòng)進(jìn)行生成和測試驗(yàn)證；(3)縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

1.2 基于模型的軟件開發(fā)工作流程

1.2.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

    應(yīng)用于高安全環(huán)境下的軟件，例如航空電子系統(tǒng)，它們的開發(fā)與驗(yàn)證過程需要嚴(yán)格遵循各種標(biāo)準(zhǔn)^[6]。DO-178B^[7]是由美國航空無線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）提出的航空工業(yè)軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)建立了一套航空機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定相關(guān)的軟件要求^[8]，定義了軟件開發(fā)各個(gè)階段的安全性目標(biāo)，對航電行業(yè)的軟件安全性標(biāo)準(zhǔn)影響巨大。

    DO-178B定義了5個(gè)軟件層級：A、B、C、D、E，這5個(gè)軟件層次所導(dǎo)致的失效狀態(tài)是由系統(tǒng)安全評估過程決定的^[9]。確定的構(gòu)件級別應(yīng)與其能夠產(chǎn)生的最嚴(yán)重的失效條件相對應(yīng)，A級為失效會(huì)產(chǎn)生最嚴(yán)重后果的等級，之后依次弱化，E級表述為“無安全性影響”^[10]。更新的DO-178C^[11]標(biāo)準(zhǔn)以附件形式發(fā)布了以模型開發(fā)、形式化驗(yàn)證、面向?qū)ο蟆⒐ぞ哞b定等為代表的新一代軟件研制技術(shù)^[12]。

1.2.2 生命周期

    DO-178B/C定義了各層軟件都應(yīng)滿足的各個(gè)過程的具體目標(biāo)，定義的軟件生命周期可以劃分為3類過程^[13]。軟件計(jì)劃過程：定義并協(xié)調(diào)一個(gè)項(xiàng)目的軟件開發(fā)與系統(tǒng)集成過程；軟件開發(fā)過程：包括軟件需求分析、設(shè)計(jì)、編碼、整合過程，同時(shí)還包括各過程間的跟蹤；整合過程：保證軟件生命周期及其輸出的正確、可控、可信，包括驗(yàn)證、軟件配置管理、軟件質(zhì)量保證、合格審定聯(lián)絡(luò)過程。

1.2.3 工作流程

    根據(jù)上述基于模型設(shè)計(jì)的工作流程和DO178B/C軟件生命周期的各個(gè)過程，結(jié)合MATLAB/Simulink軟件得到具體的模型化開發(fā)方法^[14]的工作流程如圖3所示。

1.3 Arduino的模型化開發(fā)方法

    在MATLAB_supportPackages的配合下，調(diào)試完成后的Simulink模型可以直接在Arduino平臺上獨(dú)立運(yùn)行或者與連接的PC配合運(yùn)行。Arduino平臺可以幫助用戶在不需要手動(dòng)編程的情況下理解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，可以使用Simulink來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和機(jī)器人應(yīng)用算法，可以應(yīng)用基于模型設(shè)計(jì)技術(shù)，在仿真中驗(yàn)證算法，驗(yàn)證過程可以符合DO-178B標(biāo)準(zhǔn)，也可以將算法作為獨(dú)立的應(yīng)用程序，在Arduino平臺上的ATmega處理器上實(shí)現(xiàn)。結(jié)合基于模型的軟件開發(fā)工作流程，Arduino的模型化開發(fā)方法可以總結(jié)為：

    (1)使用Simulink建立仿真模型，在建立的過程中，驗(yàn)證和確認(rèn)該模型；(2)模型驗(yàn)證和確認(rèn)后，使用Simulink自動(dòng)生成可以在Arduino上運(yùn)行的C語言代碼；(3)生成的代碼編譯后下載到Arduino目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，運(yùn)行過程數(shù)據(jù)可以在MATLAB軟件中觀察并且在Simulink中在線整定和修改。

    安裝MATLAB_supportPackages后，Simulink中封裝Arduino平臺模型庫。

2 Arduino模型化開發(fā)

2.1 功能需求

    示例開發(fā)的功能為通過Arduino模擬量輸入口獲取的熱敏電阻的電阻值，采樣量化后通過一定的算法將該電阻值轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的溫度值，在白板上寫出溫度值，如果溫度改變，則擦除原有數(shù)據(jù)，重新寫出當(dāng)前溫度值。硬件連接好之后，軟件功能可以細(xì)分為：(1)讀取Arduino的一路模擬量輸入口；(2)處理模擬數(shù)據(jù)為溫度值；(3)將溫度值傳送到輸出模塊；(4)輸出模塊擦除原來溫度值，寫入新的溫度值。本節(jié)采用模型化的方法對上述功能需求進(jìn)行開發(fā)。

2.2 模型設(shè)計(jì)

2.2.1 算法設(shè)計(jì)

    熱敏電阻是電阻值隨溫度變化的半導(dǎo)體傳感器，其典型特點(diǎn)是電阻值對溫度非常敏感，在不同的溫度下會(huì)表現(xiàn)出不同的電阻值，從而根據(jù)表現(xiàn)的電阻值逆推出其所處的環(huán)境溫度值。本文選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）503，其電阻值隨溫度的升高而降低，存在一個(gè)非線性的已知關(guān)系：

2.2.2 模型設(shè)計(jì)和調(diào)試

    根據(jù)式(2)及具體參數(shù)值，設(shè)計(jì)經(jīng)過Arduino模擬量讀取端口采樣和量化（0~1 023）后的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值的算法模型圖4所示。

    通過MATLAB模擬采樣后端口輸入信號，輸入0~1 023全部數(shù)據(jù)，模型相應(yīng)輸出經(jīng)過計(jì)算后的溫度值。

2.2.3 模型集成

    新建一個(gè)Simulink項(xiàng)目，圖5所示為建立讀取Arduino的模擬量輸入口和處理模擬數(shù)據(jù)為溫度值以及將溫度值傳送到輸出模塊的模型。設(shè)置Pulse Geneartor，更改需要的頻率、占空比，以及相應(yīng)的pin number等。

2.3 自動(dòng)生成代碼和運(yùn)行

    在線調(diào)試完以后可以進(jìn)行自動(dòng)生成代碼和在線燒寫，打開配置窗口，選擇“Prepare to Run”，選擇對應(yīng)的控制板型號為Arduino Mega 2560，設(shè)置端口（可以選自動(dòng)或手動(dòng)），設(shè)置波特率（相當(dāng)于IDE編程時(shí)setup()函數(shù)中的Serial.begin()）。設(shè)置完成保存后，回到Simulink編輯窗口，點(diǎn)擊"Run"開始自動(dòng)下載并在完成后運(yùn)行。

2.4 在線調(diào)試

    本文使用的Arduino mega 2560硬件平臺，具有4路串行通信端口與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可以在Simulink環(huán)境中直接在線整定PID參數(shù)、監(jiān)視實(shí)際信號變化，通過Scope工具查看轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)溫度輸出信號，如圖6所示。

3 分析和驗(yàn)證

    生成程序代碼共9 794行，其中有效代碼行數(shù)為5 924行，占60.17%，注釋行數(shù)為2 541行，占25.81%。有9個(gè)程序頭文件，25個(gè)c/cpp程序文件，可執(zhí)行文件hex和bin各一個(gè)，可以直接下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行，其他中間文件40個(gè)。生成的代碼和程序涉及的功能如表1所示。

    傳統(tǒng)軟件和系統(tǒng)開發(fā)的驗(yàn)證步驟一般位于項(xiàng)目的末尾，如瀑布模型等。對于復(fù)雜系統(tǒng)與軟件項(xiàng)目，如果僅依靠后期驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)問題再進(jìn)行修改，其代價(jià)往往是難以估量的，因?yàn)閱栴}可能在需求或者設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)存在了。在基于模型的設(shè)計(jì)過程中，可以將驗(yàn)證過程提前到模型設(shè)計(jì)階段，通過系統(tǒng)早期驗(yàn)證提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，減少糾錯(cuò)成本。

    相對于不確定性很高的人工測試來說，對于高安全相關(guān)項(xiàng)目，在開發(fā)的過程中，就可以使用Simulink Module Advisor工具自動(dòng)檢測模型是否符合DO-178B標(biāo)準(zhǔn)，也可以檢查模型或子系統(tǒng)的配置是否會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)仿真錯(cuò)誤或者無效，檢查模型設(shè)置是否會(huì)生成無效代碼。檢查完成后，自動(dòng)生成報(bào)告，列出不符合項(xiàng)，提出模型設(shè)置建議。開發(fā)人員根據(jù)報(bào)告進(jìn)行不符合項(xiàng)的修改，重復(fù)檢查過程，直至滿足協(xié)議要求。

4 結(jié)論

    基于模型的軟件開發(fā)是一種新穎的軟件開發(fā)的理念和方法，在高安全環(huán)境要求下的軟件領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。本文介紹了基于模型的軟件開發(fā)特點(diǎn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法進(jìn)行了對比，總結(jié)了基于模型的軟件開發(fā)的典型工作流程。在此基礎(chǔ)上，基于MATLAB/Simulink軟件平臺進(jìn)行Arduino模型化開發(fā)實(shí)例分析，實(shí)現(xiàn)了模型設(shè)計(jì)、模型調(diào)試、自動(dòng)代碼生成、自動(dòng)下載運(yùn)行以及在線調(diào)試等功能，并且進(jìn)行了生成代碼分析和協(xié)議符合性驗(yàn)證，探索了完整的Arduino的模型化開發(fā)方法。

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作者信息：

吳  姣，郝玉鍇，徐  寧，李向東

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安710115）