Eine Anleitung zur Entwicklung von Simulink-Targets für die Lehre. 10. MBEES 2014, Dagstuhl
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- Johanna Linda Melsbach
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1 Eine Anleitung zur Entwicklung von Simulink-Targets für die Lehre 10. MBEES 2014, Dagstuhl Frank Tränkle Automotive Systems Engineering
2 Inhalt Lehrveranstaltungen für Modellbasierte Softwareentwicklung in Studiengängen Automotive Systems Engineering Anforderungen an Simulink-Targets für die Lehre ARM Cortex-M-Steuergeräte für die Lehre Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M Simulink-Target MB-BOX32 der Hochschule Heilbronn Zusammenfassung und Ausblick Seite 2
3 Studiengänge Automotive Systems Engineering Bachelor-Studiengang Automotive Systems Engineering Seit Semester 25 Studierende pro Semester Schwerpunkte System-Entwicklung für Kraftfahrzeuge Elektronische oder Mechanische Systeme Master-Studiengang Automotive Systems Engineering Seit 2006/ Semester 15 Studierende pro Semester (mit Maschinenbau und Mechatronik) Seite 3
4 Lehrveranstaltungen Modellbasierte Softwareentwicklung Signale und Systeme 3. Semester Signalverarbeitung mit MATLAB und Control System Toolbox Zeitbereich, Frequenzbereich, Zustandsraum Modellbildung und Simulationstechnik 4. Semester Dynamische Fahrzeugsysteme, Numerik, MATLAB/Simulink Regelungstechnik 4. Semester Entwurf zeitkontinuierlicher und zeitdiskreter Regler in einschleifigen und vermaschten Regelkreisen mit MATLAB und Control System Toolbox Labor: Regelkreis-Simulation mit Simulink Seite 4
5 Lehrveranstaltungen Modellbasierte Softwareentwicklung Modellbasierte Softwareentwicklung 6. Semester Modellierung von Steuerungs-, Regelungs- und Signalverarbeitungsfunktionen Zeitdiskretisierung Festkomma-Arithmetik Best Practices für Simulink und Stateflow MiL- und SiL-Tests Autocodegenerierung, Integration und Inbetriebnahme Online-Messung und Parameterverstellung mit CANape Seite 5
6 Lehrveranstaltungen Modellbasierte Softwareentwicklung Modellbasierte Softwareentwicklung 6. Semester (contd.) Labor Autonomes Fahren Lokalisierung, Trajektorienplanung, Längs- und Querregelung 32-bit-Steuergerät mit Simulink-Target von GIGATRONIK Quelle: GIGATRONIK Stuttgart GmbH Seite 6
7 Lehrveranstaltungen Modellbasierte Softwareentwicklung Modellbasierte Softwareentwicklung 6. Semester (contd.) Labor Regelung BLDC-Motor Signalverarbeitung, Feldorientierte Regelung ARM Cortex-M 32-bit-Steuergerät von Emerge Engineering Simulink-Target MB-BOX32 Quelle: Emerge Engineering GmbH, Kornwestheim Seite 7
8 Anforderungen an Simulink-Targets in der Lehre Simulink-Target Applikations-Modell Simulink-Target Simulink / Embedded Coder Blockset Applikations-Software Signal-Abstraktions-Schicht Basis-Software Compiler Linker Programmer Seite 8
9 Anforderungen an Simulink-Targets in der Lehre Simulink-Targets für die Lehre müssen äußerst schnell erlernbar sein. Simulink-Targets für die Lehre müssen modular aufgebaut sein, damit sie einfach an verschiedene Laborversuche und Projekte angepasst werden können. Simulink-Targets für die Lehre müssen kostengünstig sein, damit sie in vielen Laborversuchen eingesetzt werden können und Studierende die Targets auch außerhalb des Labors verwenden können. Simulink-Targets sollen Applikations-Software von Basis-Software durch Signalschnittstelle trennen, damit sich Applikations-Modelle offline entwickelt und getestet werden können. Signalschnittstelle soll dünn und transparent sein, damit Studierende die Gesamt-Software leicht verstehen und in Betrieb nehmen können Seite 9
10 ARM Cortex-M-Steuergeräte für die Lehre Cortex-M-Steuergeräte als einheitliche Plattform im Regelungstechnik-Labor Cortex-M-Controller von STMicroelectronics 32-bit ARM-Controller Vielzahl von Varianten und Peripherie Leicht erlernbare Architektur Etablierte, gut dokumentierter Hardware-Abstraction-Layer Einsetzbar für feldorientierte Regelung von Elektromotoren Kostengünstige Evaluierungs-Boards verfügbar Cortex-M3 mit 32bit-Integer, CAN, GPIO, ADC, PWM Cortex-M4 mit 32bit-FPU und DSP bis 180 MHz und 2 MB Flash Seite 10
11 Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M Waijung-Blockset ( Thailand) Embedded Coder Support Packages von Mathworks für STM32 STM32-MAT/TARGET von STMicroelectronics Applikations-Modell Simulink-Target Simulink / Embedded Coder Blockset Applikations-Software Signal-Abstraktions-Schicht Basis-Software Compiler Linker Programmer Seite 11
12 Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M Waijung-Blockset Thailand Umfassendes Simulink-Blockset für STM32-Peripherie Unterstützung einer Vielzahl an STM32-Varianten Direkter Aufruf von GNU ARM Toolchain Simulink-Blockset erweiterbar durch neue Blöcke Simulink Coder und Embedder Coder notwendig Seite 12
13 Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M Embedded Coder Support Packages ARM Cortex-M3 und STM32F4-Discovery The Mathworks Inc Eingeschränktes Simulink-Blockset für ADC, GPIO Simulink-Blockset erweiterbar durch neue Blöcke Unterstützung von QEMU (Emulation von Cortex-M) und STM32F407 (Cortex-M4) Direkter Aufruf von GNU ARM Toolchain Simulink Coder und Embedder Coder notwendig Code Replacement für Cortex-M4-DSP-Arithmetik Seite 13
14 Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M STM32-MAT/TARGET STMicroelectronics Eingeschränktes Simulink-Blockset für ADC, GPIO, PWM, Timer Simulink-Blockset erweiterbar durch neue Blöcke Unterstützung von STM32F407 (Cortex-M4) Integration des erzeugten Codes in IDEs Keil µvision, IAR EWARM oder Atollic TrueStudio Simulink Coder und Embedder Coder notwendig Seite 14
15 Simulink-Target MB-BOX32 für ARM Cortex-M Seit 1,5 Jahren in der Entwicklung an der Hochschule Heilbronn Ausschließlich Applikations-Software wird auto-generiert Applikations-Modell Simulink / Embedded Coder Simulink-Target Applikations-Software Signal-Abstraktions-Schicht Basis-Software Compiler Linker Programmer Seite 15
16 Simulink-Target MB-BOX32 Signal-Abstraktions-Schicht und Basis-Software Projektspezifische Entwicklung der I/O-Treiber Applikations-Software Signal-Abstraktions-Schicht Runnables Hook-Funktionen Basis-Software Scheduler XCP-Server (download, upload, DAQ) Initialisierung I/O-Treiber Hardware-Abstraktion CMSIS Task-Funktionen Seite 16
17 Simulink-Target MB-BOX32 Nur Simulink Coder ist notwendig Embedded Coder ist optional Prozesssichere Custom Storage Classes Code Replacement für DSP-Arithmetik mit Target Support Package von The Mathworks Seite 17
18 Zusammenfassung MB-BOX32 trennt Applikations-Modell von Basis-Software Systembegeisterte Studierende können sich auf die Applikations- Modellierung konzentrieren Embedded-C-Experten entwickeln projektspezifische I/O-Treiber MiL- und SiL-Tests direkt mit Applikations-Modell ohne Änderungen über Signal-Schnittstellen möglich Studierende können die Steuer- und Regelungsfunktionen offline entwickeln und testen Simulink Coder und optional Embedded Coder notwendig Studierende können außerhalb des Labors keine Hardware einsetzen Weitere Kostenreduktion notwendig! Seite 18
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