Rezumat teza - Facultatea de Electronica, Telecomunicatii si ...

FACULTATEA DE ELECTRONICĂ, TELECOMUNICAŢII
ŞI TEHNOLOGIA INFORMAŢIEI
Ing. Marius Valentin MUREŞAN
Teză de doctorat
REZUMAT
Cercetări privind dezvoltarea unor sisteme embedded de
monitorizare şi control în electronica auto
CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC
Prof. dr. ing. Dan PITICĂ
2011

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ-NAPOCA
Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei
Vă facem cunoscut că în data de 22 iulie 2011, ora 10:00, în Aula Domşa a
Universităţii Tehnice din Cluj-Napoca, va avea loc susţinerea publică a tezei
de doctorat cu titlul “ Cercetări privind dezvoltarea unor sisteme embedded de
monitorizare şi control în electronica auto”, elaborată de ing. Marius Valentin
MUREŞAN, în vederea conferirii titlului ştiinţific de doctor în inginerie
electronică.
Comisia de doctorat are următoarea componenţă:
Președinte
Prof.dr.ing. Dorin Petreuş
Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei,
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
Membrii:
Prof. Dr. Ing. Dan PITICĂ – conducător ştiinţific
Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei,
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
Prof.dr.ing. Dorel AIORDĂCHIOAIE - referent
Decan - Facultatea de Automatică, Calculatoare, Inginerie Electrică şi
Electronică, Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați
Prof. Dr. Ing. Petre OGRUŢAN – referent
Facultatea de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor
Universitatea „Transilvania” Braşov
Conf.dr.ing. Gabriel Chindriș
Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei,
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

Cuprins
Cuprins ................................................................................................................... i
Capitolul 1 ......................................................................................................... 1
1. Introducere în sistemele embedded de control automate din industria auto. 1
1.1. Tendinţe în industria auto ............................................................................ 1
1.2. Dezvoltarea software-ului în industria auto ................................................ 1
1.3. Testarea sistemelor embedded...................................................................... 2
1.4. Scopul tezei .................................................................................................... 2
1.5. Organizarea tezei .......................................................................................... 3
Capitolul 2 ......................................................................................................... 4
2. Evaluarea performanţelor codului sistemelor embedded de control
automate folosite în industria auto. ............................................................... 4
2.1. Stadiul actual al metodelor de măsurare a frecvenţei ................................. 4
2.2. Estimarea performanţelor metodelor de măsurare a frecvenţei ................. 4
2.2.1. Metoda I – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind un singur
timer ..................................................................................................... 5
2.2.2. Metoda II – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind un singur
timer şi numărarea depăşirilor. .......................................................... 5
2.2.3. Metoda II îmbunătăţită – Metodă de măsurare a frecvenţei
folosind două timere defazate şi numărarea depăşirilor. ................... 5
2.2.4. Metoda III – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind o
“fereastră” de măsură. ......................................................................... 6
2.2.5. Metoda III îmbunătăţită - Metodă de măsură folosind o fereastră
prin ajustarea dinamică a acesteia. .................................................... 6
2.3. Contribuţii la îmbunătăţirea metodelor de măsurare a frecvenţei. ............ 7
2.3.1. Metodă de măsură a frecvenţei utilizând PEC şi CAPCOM. ............. 7
2.3.2. Evaluarea performanţelor metodei propuse ....................................... 8
Capitolul 3 ....................................................................................................... 10
3. Modelarea sistemelor embedded de control automate folosind tehnici de tip
real-time. ..................................................................................................... 10
3.1. Structura sistemelor embedded de control ................................................. 10
3.2. Algoritmi de control ..................................................................................... 10
3.2.1. Implementarea numerică a algoritmilor de control. ........................ 11
i

3.3. Modelarea sistemului controlat – exemplificare pentru motorul de curent
continuu ....................................................................................................... 11
3.4. Validarea modelului sistemului controlat .................................................. 12
3.4.1. Validarea modelului motorului de curent continuu prin
compararea curbelor de sarcină. ....................................................... 12
3.4.2. Validarea modelului motorului de curent continuu prin
compararea răspunsurilor la semnal treaptă. .................................. 12
3.5. Implementarea algoritmilor de control pentru generarea automată a
codului. ......................................................................................................... 13
3.6. Generarea automată a codului. .................................................................. 14
Capitolul 4 ....................................................................................................... 15
4. Dezvoltarea mediilor de testare ale sistemelor embedded de control
automate în industria auto .......................................................................... 15
4.1. Modelul V multiplu ..................................................................................... 15
4.2. Testarea în faza de dezvoltare a prototipurilor .......................................... 16
4.3. Conceptul arhitecturii mediului de testate SiL împlementat în
Matlab/SIMULINK ..................................................................................... 17
4.3.1. Implementarea XCP .......................................................................... 18
4.3.2. Implementare scheduler OS (Operating System) ............................. 18
4.3.3. Emularea perifericelor sistemului embedded ................................... 19
4.3.4. Compilarea şi linkeditarea automată a funcţiei S ........................... 20
4.3.5. Facilităţi de rulare pas cu pas a codului funcţiei S .......................... 20
4.3.6. Implementarea interfeţei grafice pentru testele manuale (GUI) .... 20
4.4. Generarea testelor automate ...................................................................... 21
4.5. Mediul de testare SiL – Rezultate experimentale ..................................... 21
Capitolul 5 ....................................................................................................... 23
5. Concluzii finale și contribuții personale ....................................................... 23
5.1. Perspective de dezvoltare ............................................................................ 28
5.2. Premii obținute ............................................................................................ 28
5.3. Publicații citate în teză ................................................................................ 28
5.4. Publicații din domenii adiacente subiectului tezei ..................................... 30
ii

Capitolul 1
1. Introducere în sistemele embedded de control
automate din industria auto.
Sistemele embedded de control automat joacă un rol important în
industria modernă, îndeplinind o largă varietate de funcţii. Una dintre
caracteristicile principale ale acestui tip de sistem, este aceea de a fi proiectat
pentru execuţia unei funcţii specifice, având sau nu constrângeri legate de
execuţia proceselor în timp real.
Funcţionalitatea sistemelor embedded de control automate este
asigurată, în mare parte, de către software-ul sistemului. Comparativ cu acum
zece ani, se observă o tendinţă de scădere a ponderii hardware, de la 80% la 62%
şi o creştere a ponderii software, de la 20% la 38%, din efortul total de
dezvoltare a sistemului embedded (Figura 1.1).
Procent din costul
total al autovehicolului
35%
22%
Software 20%
Figura 1.1 Ponderea HW/SW în sistemele embedded din industria auto.
1.1. Tendinţe în industria auto
In zilele noastre, un ciclu complet de proiectare în industria auto
durează între 24 şi 36 de luni, mult mai puţin decât în urmă cu cinci ani, când
un ciclu complet dura în medie aproximativ 60 de luni. Durata scurtă a
ciclurilor de proiectare, pune presiune extraordinară asupra dezvoltării de
sisteme embedded de control automate, în vederea creşterii rapide a
prototipurilor şi testării lor
1.2. Dezvoltarea software-ului în industria auto
Pentru reducerea semnificativă a costurilor generate de implementările
software, tendinţa este de a folosi interfeţe grafice capabile să genereze
software pentru ECU. În prezent, mai mult de 60% din software-ul de la
nivelul aplicaţiei este implementat în formă grafică.
1
Hardware
62%
Hardware
13% Software de bază 2%
80%
Sistem de operare 8%
4%
Software Aplicaţie
28%
2000 2010

1.3. Testarea sistemelor embedded
Testarea ECU se face de-a lungului întregului proces de proiectare,
fiecare etapă având teste specifice: testarea modelelor, testarea în laborator şi
testele de drum. Tendinţele sunt de a implementa cât mai multe teste în
partea de modelare şi laborator, în scopul reducerii costurilor.
1.4. Scopul tezei
Dezvoltarea ECU se bazează pe modelul V prezentat în Figura 1.2, unde
fiecare din etapele de proiectare, testare/verificare implică tool-uri diferite
furnizate de diferiţi producători.
Figura 1.2 Ciclul V pentru dezvoltarea ECU
Scopul acestei teze constă în dezvoltarea unor metode de implementare
şi testare a codului destinat sistemelor embedded de control automate în
vederea reducerii timpilor şi costurilor proiectării. Raportându-ne la modelul V,
metodele și modelele dezvoltate se situează în partea de Proiectare software
ECU, Programare software și Revizuire cod/Teste unități.
Pentru verificarea experimentală a conceptelor s-a ales spre modelare
un sistem embedded de control al turației unui motor de curent continuu cu
perii, conceptele putând fi extinse și altor sisteme embedded mai complexe.
Generarea automată a codului sistemelor embedded și implementarea
mediului de testare s-a făcut folosind platforma de dezvoltare
Matlab/SIMULINK.
În vederea optimizării codului sistemelor embedded s-a urmărit
îmbunătățirea lui prin:
• creșterea performanțelor metodelor de măsură.
• minimizarea timpilor de execuție prin optimizarea accesului la
resursele microcontrollerului.
Codul astfel implementat, este folosit ca și referință, fiind înglobat ca și
bloc cu caracter dual în Simulink, cu scopul generării automate a codului.
Software-ul obținut după procesul de generare automată a codului este testat
folosind tehnici moderne. Corelațiile între direcțiile de cercetare amintite și
implementarea sistemului embedded sunt prezentate în Figura 1.3.
2

Figura 1.3 Corelațiile între direcțiile de cercetare urmărite și implementarea practică.
1.5. Organizarea tezei
Teza este structurată în cinci capitole, astfel:
Capitolul 1 intitulat Introducere în sistemele embedded de control automate
din industria auto prezintă stadiul actual şi trendurile viitoare în industria
auto, precum şi oportunitatea temei alese.
Capitolul 2, intitulat Evaluarea performanţelor codului sistemelor embedded
de control automate folosite în industria auto prezintă o soluţie de
îmbunătăţire a performanţelor unui sistem embedded de control automat de
măsurare a frecvenţei, prin analiza timpilor de execuţie a codului, optimizarea
lui şi găsirea de noi implementări specifice tipului de microcontroller folosit.
Capitolul 3 intitulat Modelarea sistemelor embedded de control automate
folosind tehnici de tip real-time prezintă o soluţie de accelerare a dezvoltării
software-ului sistemelor embedded prin generarea automată a codului şi
testarea funcţionalităţii lui pe sisteme reale. Pentru implementarea
algoritmilor de control s-a folosit Matlab/SIMULINK, codul generat fiind rulat
în vederea testări pe un sistem în timp real.
Capitolul 4 intitulat Dezvoltarea mediilor de testare ale sistemelor embedded
de control automate în industria auto prezintă o metodă de testare cu costuri
reduse, folosită în faza de dezvoltare a software-ului sistemului embedded de
control automat, pentru diferite tipuri de teste specifice (testarea
componentelor software, teste de integrare), accesibilă fiecărui programator.
S-a urmărit dezvoltarea unui mediu de testare SiL (Software in the Loop)
pentru codul sistemului embedded de control automat, în acelaşi timp folosiduse
aceleași tool-uri şi vectori de test ca şi pentru testele finale.
Capitolul 5 prezintă concluziile finale şi contribuţiile aduse optimizării
timpilor şi costurilor de proiectare în dezvoltarea sistemelor embedded de
control automate folosite în industria auto.
3

Capitolul 2
2. Evaluarea performanţelor codului sistemelor
embedded de control automate folosite în industria auto.
Utilizarea pe scară din ce în ce mai largă, în domeniul industriei
automobilelor, a senzorilor ce furnizează informaţia ca şi semnal modulat în
frecvenţă, impune folosirea unor tehnici de măsurare precise, a căror eroare să
fie menţinută sub o valoare critică pe întreg domeniul de măsură.
Deoarece majoritatea unităţilor electronice de control sunt dezvoltate în
jurul microcontrollerelor, măsurarea frecvenţei semnalelor generate de senzori
se bazează pe folosirea timerelor sistemului.
În prima parte se prezintă stadiul actual al metodelor de măsură şi sunt
prezentate câteva metode clasice de măsurare a frecvenţei unui semnal
dreptunghiular, cum ar fi:
a. măsurarea frecvenţei folosind un singur timer;
b. măsurarea frecvenţei folosind un singur timer şi numărarea
depăşirilor;
c. măsurarea frecvenţei folosind două timere defazate şi numărarea
depăşirilor;
d. măsurarea frecvenţei folosind o fereastră de măsură.
În a doua parte a abordării este prezentată o metodă de măsură ce
acoperă un domeniu larg (1Hz – 10kHz), cu o precizie mai mare de 1Hz pe
întreg domeniul, suficient pentru ca semnalele generate de senzorii folosiţi în
industria automobilelor să poată fi măsurate precis. Această metodă se
bazează pe înglobarea a două metode de măsură intr-una singură:
a. metoda bazată pe folosirea a două timere defazate şi numărarea
depăşirilor
b. metoda bazată pe folosirea unei „ferestre” de măsură.
Pentru determinarea performanțelor legate de timpii de execuţie şi
încărcarea microprocesorului s-a implementat un modul software de
monitorizare (profiler).
2.1. Stadiul actual al metodelor de măsurare a frecvenţei
Principiile generale de măsură constau în:
• măsurarea directă, când sunt numărate perioadele unui semnal
de măsură cuprinse în perioada semnalului măsurat;
• măsurarea inversă, când sunt numărate perioadele semnalului
măsurat cuprinse într-o fereastră de măsură.
2.2. Estimarea performanţelor metodelor de măsurare a
frecvenţei
Studiul comparativ a urmărit în principal modul în care aceste metode
de măsură pot fi implementate pe sisteme cu microcontrollere În continuare,
4

prezentarea lor este strâns legată de implementarea practică, luându-se ca
model microcontroller-ul pe 16 biţi produs de firma Infineon, C167CR.
Principiul de măsură al fiecărei metode este prezentat pentru un canal,
implementarea programului făcându-se pentru măsurarea simultană a trei
canale.
2.2.1. Metoda I – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind un singur timer
Cea mai simplă metodă pentru determinarea perioadei constă în folosirea
unui timer pe 16 biţi şi capturarea valorii timerului la fiecare front crescător
sau descrescător al semnalului de intrare.
2.2.2. Metoda II – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind un singur
timer şi numărarea depăşirilor.
O primă metodă prin care domeniului de măsură se poate extinde,
eliminând limitarea legată de perioada de depăşire a timerului, este aceea prin
care întreruperea de depăşire a timerului pe 16 biţi este monitorizată şi
folosită în calculul perioadei/frecvenţei semnalului de intrare. Metoda constă
în incrementarea unui contor la fiecare întrerupere de depăşire a timerului.
Statistic, această metodă furnizează următoarele rezultate:
• În 99,99% din cazuri măsurătorile sunt corecte.
• În 0,01% din cazuri rezultatele sunt eronate. Erorile apar atunci când
perioada ce trebuie măsurată este multiplu întreg al perioadei timerului.
2.2.3. Metoda II îmbunătăţită – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind
două timere defazate şi numărarea depăşirilor.
Eliminarea erorii statice din metoda anterioară se poate face prin
utilizarea a două timere, defazate cu o jumătate de perioadă. Constrângerea
majoră a acestei metode, ce o face implementabilă doar pentru anumite
microcontrollere, constă în menţinerea unui defazaj constant între timere pe
tot timpul măsurătorilor (Figura 2.1).
Timer 1
0x0000
Timer 2
0x8000
defazaj
constant
T1&0x8000=0
T1&0x8000=1
1 2 3
1 2
3
Figura 2.1 Principiul metodei II îmbunătăţite.
5
T1&0x8000=0
T1&0x8000=1
T1&0x8000=0
4

2.2.4. Metoda III – Metodă de măsurare a frecvenţei folosind o “fereastră”
de măsură.
Pentru oricare dintre metodele anterior prezentate, acurateţea la
frecvenţe înalte este nesatisfăcătoare. Metoda care rezolva aceasta problemă
propune folosirea unei ferestre de măsură.
Eroarea de măsură în acest caz, se poate calcula folosind relaţia (2.1).
( N − 2)
eroarea[
Hz]
=
2.1
Dimensiune _ fereastra −
6
( N − 2)
⋅ Tin
2.2.5. Metoda III îmbunătăţită - Metodă de măsură folosind o fereastră
prin ajustarea dinamică a acesteia.
Din analiza erorii relative pentru metoda III, rezultă că pentru a obţine
o precizie de 1Hz la frecvenţa de 10000Hz avem nevoie de o fereastră de
dimensiune minimă 0,1s. Informaţiile referitoare la frecvenţe sunt folosite ca
variabile de intrare în algoritmii de control implementaţi pe sisteme embedded
cu constrângeri de timp. Această metodă de măsură poate fi îmbunătăţită
astfel încât precizia măsurătorii să satisfacă cerinţele impuse, folosind ferestre
de măsură de ordinul milisecundelor. Acest lucru este posibil dacă folosim un
timer cu ajutorul căruia să obţinem valorile corespunzătoare primului şi
ultimului front pozitiv/negativ din fereastră. În acest caz, eroarea nu mai este
dependentă de valoarea perioadei/frecvenţei semnalului măsurat, ci este
dependentă de cuanta timerului. Acest lucru este echivalent cu o ajustare
dinamică a ferestrei în limita maximă a dimensiunii ei (Figura 2.2).
Semnalul de
măsurat
Dimensiune fereastră de măsură
N*Tin
Valoare_timer_t0
Valoare_timer_t1
Figura 2.2 Principiul metodei III îmbunătăţite.
Calculul perioadei semnalului de intrare se face folosind relaţia (2.2).
Valoare _ timer _ t1−
Valoare _ timer _ t0
⋅Tclk
Tmas
[ s]
=
2.2
N
Eroarea de măsură in acest caz se poate calcula folosind ecuaţia (2.3).
1
eroarea[
Hz]
=
( Valoare _ timer _ t1
− Valoare _ timer _ t0
−1)
⋅ Tclk
2.3
Tin −
N
Eroarea de măsură pentru cazul folosirii ajustării dinamice a frecvenţei
este prezentată în Figura 2.3. Se observă că se obţin erori relative mai mici de
0,01% chiar şi pentru dimensiuni ale ferestrei de 5ms.

Eroarea de masura [%]
0.01
0.008
0.005
0
-0.005
-0.008
-0.01
10000
9500
Frecventa semnalului de intrare [Hz]
9000
Figura 2.3 Eroarea relativă de măsură obţinută prin simulare Matlab pentru metoda
III îmbunătăţită.
2.3. Contribuţii la îmbunătăţirea metodelor de măsurare a
frecvenţei.
În continuare este prezentat un algoritm de măsură a frecvenţei cu o
eroarea absolută mai mică de 1Hz pe întreg domeniul cuprins între 1Hz şi
10KHz, cu un timp minimizat de ocupare a microcontrollerului. Această
metodă a fost implementată şi testată pe microcontrollerul C167CR, special
ales pentru perifericele CAPCOM (CApture/COMpare) şi Peripheral Event
Controler (PEC).
2.3.1. Metodă de măsură a frecvenţei utilizând PEC şi CAPCOM.
Metoda propusă combină cele două metode de măsura prezentate
anterior:
• pentru frecvenţe joase se foloseşte metoda II îmbunătățită;
• pentru frecvenţe înalte se foloseşte metoda III îmbunătățită.
Frecvenţa este calculată la fiecare cinci milisecunde şi datele sunt
transmise pe CAN. În rutina de tratare a acestei întreruperi se calculează
frecvenţa după următorii paşi:
• Dacă au avut loc unul sau mai multe trasferuri PEC,
perioada/frecvenţa semnalului de intrare se calculează în funcţie
de datele din vectorul destinaţie asociat PEC-ului şi numărul de
transferuri; Acest lucru este exemplificat în Figura 2.4.;
7
x 10
8
-3
0.01 0.005
0.02
0.03
0.04
-6
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
-8
Dimensiune fereastra [s]
6
4
2
0
-2
-4

Semnalul
de intrare
Intreruperi
Figura 2.4 Calculul frecvenţei pentru cazul în care au avut loc transferuri PEC.
• Dacă nici un transfer PEC (Figura 2.5), rutina de tratare a
întreruperii capture fiind activă.
Semnalul
de intrare
Timer1
overflow
Timer2
overflow
Intreruperi
Calculul
frecvenţă.
Iniţializare
PEC
Salvări valori
timer şi
depăşiri
Iniţializare
PEC
Salvări valori
timer şi
depăşiri
Figura 2.5 Calculul frecvenţei pentru cazul în care nu au avut loc transferuri PEC.
Frecvența la care se trecere de la o metodă de măsură la alta s-a ales în
urma analizei erorii absolute minime pe întreg domeniul de măsură, prin
simulare Matlab. În acest caz, s-a ales ca frecvența de trecere să fie cea mai
mică frecvență măsurată cu metoda nou propusă.
2.3.2. Evaluarea performanţelor metodei propuse
Pentru evaluarea performanţelor metodei propuse s-a folosit standul
experimental din Figura 2.6: generatorul de funcţii NI 5406 a furnizat un
semnal dreptunghiular cu o rezoluție de 0,355µHz. Semnalul astfel generat
este folosit ca şi semnal de intrare pentru sistemul de măsură implementat în
jurul microcontrollerului C167CR. Toate metodele au fost implementate
pentru măsurarea simultană a trei canale de intrare.
Figura 2.6 Stand experimental pentru evaluarea performanţelor sistemelor de
măsură implementate.
8
Transferuri
PEC
Calcul frecvenţă după
relaţiile 2.5 sau 2.6
Calculul
frecvenţei cu
relaţia 2.8.

Pentru determinarea performanţelor legate de timpii de execuţie ai
programului, pentru fiecare metodă studiată, s-a implementat un profiler.
Timpul de execuţie al fiecărei rutine este compus din: Tin – timpul de intrare în
întrerupere, unde se salvează conţinutul regiştrilor pe stivă; Tcitire – timpul
necesar citirii timerului asociat profilerului; Tprofiler_start –timpul necesar
salvării în memorie a datelor legate de startul rutinei de întrerupere; Texec –
timpul de execuţie al rutinei de întrerupere, așa cum este el determinat
software de către profiler; Texec_echivalent – timpul de execuţie efectiv al rutinei de
întrerupere, ce poate fi determinat doar analitic; Tprofiler_stop –timpul necesar
salvării în memorie a datelor legate de finalul rutinei de întrerupere; Tout –
timpul de ieşire din întrerupere, unde se reface conţinutul regiştrilor din stivă;
Tint – timpul suplimentar datorat întreruperii rutinei de către alte rutine cu
priorităţi cu nivele mai ridicate. Acest timp poate fi oriunde pe durata
celorlalţi timpi.
La frecvenţe joase, performanţele metodei PEC sunt afectate de
dimensiunea codului. Codul implementat pentru măsurarea frecvenţei are cea
mai mică dimensiune pentru metoda cu un timer, urmată de metoda de
măsură folosind două timere defazate cu numărarea depășirilor şi de metoda
de măsură cu fereastră folosind PEC. La frecvenţe mari (> 3 KHZ), PEC-ul
preia din încărcarea microcontrollerul realizând transferuri directe fără
ocuparea µC, timpii de ocupare fiind semnificativ mai mici decât la celelalte
două metode. Aceste aspecte sunt exemplificate în Figura 2.7, unde sunt
prezentaţi timpii de ocupare ai microcontrollerului pentru metodele analizate,
la diferite frecvenţe.
Figura 2.7 Încărcarea microcontrollerului în funcţie de metoda de măsură
implementată.
9

Capitolul 3
3. Modelarea sistemelor embedded de control automate
folosind tehnici de tip real-time.
Un sistem embedded care are ca scop implementarea unui algoritm de
control în scopul menţinerii anumitor mărimi fizice dintr-un proces, la o
valoare prescrisă, fără intervenţia din exterior a factorului uman se numeşte
sistem embedded de control.
În acest capitol s-a studiat problema proiectării algoritmilor de control
pentru sisteme liniare pe platforme embedded cu posibilitatea impunerii
anumitor constrângeri de timp. Scopul principal constă în găsirea unei metode
valide pentru acordarea algoritmilor de control folosind modele simulate.
Modelul algoritmului astfel acordat, va fi folosit în scopul generării automate a
codului pentru a fi rulat pe sistemul embedded. Acest lucru s-a făcut prin
analiza sistemelor embedded de control folosind metode analitice şi
experimentale cu scopul îmbunătăţirii timpilor de proiectare, reducerii
resurselor necesare în vederea proiectării şi îmbunătăţirii performanţelor
sistemelor embedded de control folosind tehnici de simulare în timp real.
Exemplul utilizat în dezvoltarea metodei de determinarea a parametrilor
algoritmului de control automat este un algoritm PID pentru controlul turaţiei
unui motor de curent continuu cu perii (denumit în continuare motor de curent
continuu).
3.1. Structura sistemelor embedded de control
Schema bloc funcţională a unui sistem embedded de control este
prezentată în Figura 3.1, unde putem identifica partea de controller ca fiind
implementată ca şi software ce rulează pe microcontroller, partea de element
de execuţie fiind echivalentă cu driver-ul de ieşire şi partea de traductor fiind
echivalentă cu senzorul.
Figura 3.1 Schema bloc funcţională a unui sistem embedded de control.
3.2. Algoritmi de control
Există mai multe tipuri de algoritmi de reglaj, cei mai comuni fiind:
proporțional (P), proporţional-integrativ (PI), proporţional-derivativ (PD) şi
proporţional-integrativ-derivativ (PID). Deoarece algoritmul PID include toate
tipurile de algoritmi menţionaţi anterior, el fiind şi cel mai comun în
10

implementarea sistemelor de control, în continuare se va analiza doar acest tip
de algoritm. Expresia matematică a algoritmului de reglaj PID este dată de
relaţia (3.1).
t ⎡ 1
de
( ) ( )
( t)
⎤
u(
t)
= K⎢e
t + ∫ e t dt + τ d ⎥⎦
3.1
⎣ τ i
dt
0
unde K este câştigul, τi este constanta de timp de integrare si τd este constanta
de timp de derivare.
3.2.1. Implementarea numerică a algoritmilor de control.
Implementarea numerică a algoritmilor de control în sistemele
embedded are avantajele unei flexibilităţi ridicate şi siguranţă mărită în
funcţionare. Implementare discretă a algoritmului de reglaj PID, folosită în
constinuare este dată de relaţia:
u n)
−u( n −1)
= s e(
n)
+ s e(
n −1)
+ s e(
n − 2)
3.2
unde
( 0 1
2
⎡ Ts
τ ⎤ d
s0
= K⎢1
+ + ⎥
⎣ 2τ
i Ts⎦
⎡ Ts
τ ⎤ d
s1
= K⎢−
1+
− 2 ⎥
⎣ 2τ
i Ts⎦
τ d
s2
= K
T
s
3.3. Modelarea sistemului controlat – exemplificare pentru
motorul de curent continuu
unde
Ecuaţiile de funcţionare discrete ale motorului de curent continuu sunt:
Va
( z)
−Vb
( z)
Va
( z)
− KmΩ
m(
z)
Ia
( z)
=
=
⎛ Ts
⎞ ⎛ Ts
⎞
Ra⎜1
+ τ a⎟
Ra⎜1
+ τ a⎟
⎝ z −1
⎠ ⎝ z −1
⎠
T ( z)
− TL(
z)
KmI
a(
z)
− TL
( z)
Ωm(
z)
=
=
⎛ Ts
J⎞
⎛ Ts
⎞
b⎜1+
⎟ b⎜1+
τ m⎟
⎝ z −1
b⎠
⎝ z −1
⎠
J
τ m =
b
La
τ a =
R
a
Modelul Simulink în formă discretă a motorului de curent continuu este
prezentat în Figura 3.2.
Figura 3.2 Modelul discret Simulink a motorului de curent continuu.
11
3.3
3.4
3.5

3.4. Validarea modelului sistemului controlat
Pentru sistemul modelat (motorul de curent continuu) s-au determinat
prin metode experimentale parametrii acestuia. Modelul astfel obţinut a fost
validat prin două metode:
• Compararea curbelor de funcţionare ale motorului de curent
continuu obţinute prin simularea modelului Simulink cu cele
oferite de către producător;
• Compararea răspunsurilor motorului de curent continuu la un
semnal de tip treaptă unitate.
3.4.1. Validarea modelului motorului de curent continuu prin compararea
curbelor de sarcină.
Pentru obţinerea curbelor de sarcină ale motorului de curent continuu
în funcţie de cuplu s-a folosit modelul Simulink al motorului de curent
continuu. Comparând curbele obţinute prin simulare cu cele oferite de către
producător, putem spune că parametrii motorului de curent continuu au fost
corect determinaţi.
3.4.2. Validarea modelului motorului de curent continuu prin compararea
răspunsurilor la semnal treaptă.
Identificarea răspunsului motorului la un semnal de tip treaptă unitate
s-a făcut folosind sistemul de măsură a cărui schemă bloc este prezentată în
Figura 3.3. Măsurătorile sunt făcute de un sistem de măsură în timp real care
s-a implementat în două moduri:
• Folosind un calculator pe care rulează xPC Target 4.0 împreună
cu o placă de achiziţie multifuncţională PCI 6251 produsă de
firma National Instruments
• Folosind un PXI-1031 împreună cu o placă de achiziţie
multifuncţională PXI 6251.
.
Figura 3.3 Schemă de măsură a răspunsului sistemului la semnalul de tip treaptă
unitate folosind sisteme de măsurare şi simulare în timp real.
Algoritmii pentru determinarea răspunsului motorului de curent
continuu sunt implementați folosind modelare Simulink și LabVIEW.
Din cauza asimetriilor mecanice ale sistemului de măsură și ale
motorului de curent continuu utilizat, s-a folosit un algoritm de filtrare de tip
„element de întârziere de ordinul unu”. Rezultatele obţinute folosind cele două
sisteme de măsură sunt identice, din acest motiv, vom prezenta în continuare
doar datele achiziţionate folosind sistemul de măsură ce foloseşte xPC Target
4.0.
12

Datele obţinute prin simulare au fost comparate cu cele achiziţionate de
sistemul de măsură în timp real. Putem observa că erorile semnificative apar
pe durata timpilor tranzitorii.
Figura 3.4 Eroarea absolută dintre răspunsurile sistemului la un semnal treaptă
(simulat şi real).
3.5. Implementarea algoritmilor de control pentru
generarea automată a codului.
Ca şi implementare, s-a ales un algoritm de control de tip PID care să
regleze turaţia unui motor de curent continuu. Algoritmul de control este
implementat ca şi o funcţie S într-un model Simulink al întregului sistem de
control (Figura 3.5), care este încărcat pe sistemul în timp real.
Figura 3.5 Modelul Simulink al sistemului de control folosit ca şi referinţă.
Algoritmul este astfel testat în condiţii reale. În continuare s-a urmărit
modul în care algoritmul de control PID trebuie inclus în simularea sistemului
de control în buclă închisă a turaţiei motorului de curent continuu astfel încât,
rezultatele obţinute prin simulare, să fie cât mai apropiate de realitate. Toate
experimentele, atât cele simulate cât şi cele reale s-au făcut considerând
valoarea prescrisă ca fiind 200rpm.
Algoritmul de control este implementat utilizând două moduri:
1. Folosind blocuri discrete din librăriile SIMULINK (Figura 3.6).
2. Integrând codul algoritmului de control PID descris prin relaţiile
(3.2) şi (3.3) într-o funcţie S.
Scopul principal constă în găsirea modelului optim de integrare a
algoritmului de control în sistemul simulat în buclă închisă. Nu s-a urmărit
obţinerea unor parametrii optimi de reglaj pentru algoritmul implementat.
Modelul cel mai complex ales este cel din Figura 3.6, unde sunt incluse
modelul driverului PWM și modelul tarductorului, incluzând filtrul.
Figura 3.6 Modelul sistemului de control ce conţine modelul driverului PWM şi
modelul circuitului de filtrare.
13

În Figura 3.7 este comparat răspunsul sistemului modelat ca în figura
3.6 cu cel real. Pentru această implementare, se poate considera că rezultatele
obţinute sunt satisfăcătoare, deşi între răspunsul sistemului real şi a celui
obţinut prin simulare există o întârziere
Viteza de rotatie [rad/s]
250
200
150
100
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Timp [s]
Figura 3.7 Comparare între răspunsul sistemului obţinut prin modelare şi răspunsul
real.
3.6. Generarea automată a codului.
50
În continuare s-a urmărit obţinerea unei metode de generare automată
a codului algoritmului de control de tip PID, pentru reglarea turaţiei unui
motor de curent continuu, sistemul embedded de control destinat fiind
dezvoltat în jurul µC C167CR. Pentru implementarea modelului s-a ales
programul Simulink®, iar pentru generarea codului s-a folosit Real Time
Workshop® Embedded Coder împreună cu Embedded Target for Infineon
C166® .
Întreg procesul de generare automată a codului folosind funcţii de tip S
inlined este prezentat în Figura 3.8 a.
a.
Figura 3.8 a. Generarea automata a codului folosind funcţii de tip S-inlined.
b. Implementare Simulink pentru modelul controllerului
Modelul Simulink implementat este prezentat în Figura 3.8 b., din care,
pentru generarea automată a codului este folosit doar modelul controllerului.
Blocul pentru citirea turaţiei s-a bazat pe metoda dezvoltată în capitolul 2.3,
metoda de implementare aleasă fiind ca funcţie de tip S-inlined.
14
viteza de rotatie simulata
viteza de rotatie masurata
b.

Capitolul 4
4. Dezvoltarea mediilor de testare ale sistemelor
embedded de control automate în industria auto
Metodele cele mai utilizate în testarea software-ului sunt „Hardware in
the Loop” (HiL) şi „Software in the Loop” (SiL). Prin metoda de testare HiL
software-ul rulează pe hardware-ul ţintă în timp ce pentru restul sistemului
este creat un mediu simulativ. Pentru metoda de testare SiL ideea este aceeaşi,
excepţie făcând faptul că software-ul rulează la rândul său pe un hardware
emulat.
În vederea reducerii costurilor legate de procesul de testare, precum şi a
îmbunătăţii testării prin implementarea unor tehnici de Design For Testability
– DFT, s-a urmărit dezvoltarea unui mediu de testare SiL pentru software-ul
sistemelor embedded din electronica auto. Scopul principal constă în validarea
timpurie a componentelor software care urmează a fi integrate. Ca şi mediu de
dezvoltare s-a ales Matlab/SIMULINK. Codul supus testării nu suferă nici o
modificare, el fiind compilat într-o funcţie de tip S, inclusă mai apoi în bucla de
testare. Deoarece dezvoltarea software-ului sistemelor embedded se face
pentru sisteme de operare în timp real, s-a urmărit emularea sistemului de
operare, în cazul nostru OSEK/VDX şi includerea lui ca şi parte integrantă a
mediului de testare SiL. Pentru accesul la valorile variabilelor codului supus
testării, s-a folosit implementarea de bază a protocolul XCP (Universal
Measurement and Calibration) având ca nivel transport TCP/IP (Transmission
Control Protocol/Internet Protocol) via Ethernet. S-a păstrat astfel protocolul
de măsurare şi calibrare din majoritatea unităţilor de control electronice din
industria auto, avantajul constând în capabilitatea refolosirii vectorilor de test
în fazele superioare ale dezvoltării sistemului şi posibilitatea folosirii aceloraşi
tool-uri ca şi pentru testele de tip HiL sau testele de drum. Protocolul XCP a
fost de asemenea înglobat în funcţia S. Pentru simularea unui mediu de
testare cât mai apropiat de realitate, s-au implementat modele pentru diferite
părţi electronice ale sistemului embedded: porturi de intrare/ieşire,
convertoare ADC/DAC, memorii EEPROM, drivere PWM, comunicaţii CAN,
senzori de temperatură, presiune etc. S-a implementat de asemenea o interfaţă
grafică pentru teste manuale, accesul la variabilele interne ale sistemului
embedded făcându-se cu ajutorul interfeţei XCP. În final s-a obţinut un mediu
de testare SiL pentru un sistem embedded de control automat pentru turaţia
unui motor de curent continuu.
4.1. Modelul V multiplu
Testarea sistemelor embedded nu înseamnă numai testarea codului
executabil. Sistemul este de obicei dezvoltat într-o secvenţă “fază de produse”,
devenind din ce în ce mai real. Prima dată este dezvoltat un model care
simulează comportamentul sistemului cerut. Când modelul dezvoltat se
dovedeşte a fi corect, pe baza lui se dezvoltă prototipul. Hardware-ul
15

experimental este treptat înlocuit de cel real, până când sistemul ajunge la
forma lui finală, ce va fi folosită pentru producţia de masă. Motivul derulării
acestor faze intermediare în elaborarea sistemului, constă în faptul că este mai
ieftin şi mai rapid de modificat software-ul şi hardware-ul la nivelul
prototipului, decât modificarea produsul final. Pentru un efort minim şi costuri
reduse ar fi ideal ca aceste modificări să fie făcute la nivelul modelului.
Modelul V multiplu, bazat pe cunoscutul model V (Spillner, 2000), este
un model de dezvoltare care ia în considerare fenomenul descris anterior. În
principiu, fiecare fază de proiectare (modelare, prototip, produs final) urmează
un ciclu complet de dezvoltare V, incluzând proiectare, dezvoltare şi testare.
Pe de altă parte, anumite detalii tehnice nu pot fi testate foarte bine pe
model şi trebuie testate pe prototip. De aceea, există relaţii clare între modelul
V multiplu şi diferitele metode de test. Modelele dezvoltate în faza de modelare
sunt testate folosind „testele modelului” (MT) şi „Model-in-the-Loop” (MiL). În
faza de dezvoltare a prototipului metodele de testare sunt HiL şi SiL. Testarea
SiL presupune testarea software-ului real incluzând toate restricţiile legate de
resurse (de exemplu, operaţii întregi pe 8 sau 16 biţi) într-un mediu complet
simulat.
Faza de
modelare
MT = model test
MiL = model-in-the-loop
RP = rapid protoyping
SiL = software-in-the-loop
HiL = hardware-in-the-loop
ST = system test
MT/Mil
RP SiL
Figura 4.1 Procese de testare ce arata tranziţia de la modelare la produsul final.
4.2. Testarea în faza de dezvoltare a prototipurilor
Testarea în faza de implementare a prototipului are ca şi scopuri:
• Validarea modelelor obţinute pin simulare (obţinute în faza anterioară -
cea de modelare).
• Verificarea caracteristicilor sistemului cu cele din cerințe.
• Implementarea unei unităţi pentru pre-producție.
16
HiL
ST
Faza de
prototip
Faza de
pre-producţie

4.3. Conceptul arhitecturii mediului de testate SiL
împlementat în Matlab/SIMULINK
Arhitectura mediului de testare SiL este prezentată în Figura 4.2,
scopul fiind implementarea ei ca şi model Matlab/SIMULINK. S-a urmărit
obţinerea unui mediu de testare virtual, cu costuri reduse şi performanţe
ridicate. Arhitectura implementată este un concept nou, dar tool-urile folosite
pe procesul testării fiind standard. În acest fel, datele obţinute corespund
standardului ASAM, putând fi corelate cu cele obţinute prin testare HiL sau
testele de drum.
S-a urmărit compilarea codului sistemului embedded de la nivelul
Aplicației într-o funcție S care să emuleze sistemul de operare, partea de LLD
(Low Level Driver) și protocolul XCP. Una din constrângerile esențiale este
păstrarea nemodificată a codului supus testelor.
Figura 4.2 Arhitectura mediului de testare SiL.
Emularea software-ului în funcția de tip S face posibilă integrarea ei
într-un model Simulink, alături de proces, dezvoltând astfel un mediu de
testare SiL. Suplimentar, conform conceptului, avem nevoie de implementarea
unei interfețe grafice pentru efectuarea testelor manuale și un tool de testare
pentru măsurarea și calibrarea variabilelor software-ului sistemului embedded.
17

4.3.1. Implementarea XCP
XCP este o interfaţă standard pentru măsurarea şi calibrarea unităţilor
de control (ECU) din electronica auto. Termenul de calibrare este unul generic
ce acoperă cerinţe legate de măsurare, ajustarea valorilor şi programarea
flash-urilor ECU-rilor.
Testarea sistemelor embedded din electronica auto se bazează pe accesul
la valorile interne ale ECU folosind protocolul XCP prin intermediul unui tool
de măsurare şi calibrare (ex. CANApe). Pentru implementarea nivelului
transport pentru mediul de testare SiL s-a ales TCP/IP via Ethernet, o soluţie
performantă şi fiabilă. Diagrama bloc a implementării standardului XCP pe
Ethernet via TCP/IP este prezentată în Figura 4.3.
Figura 4.3 Arhitectura protocolului XCP pe Ethernet via TCP/IP.
În dezvoltarea mediului de testare SiL, pentru interfaţa XCP, master-ul
este considerat ca fiind tool-ul folosit în testare (în cazul nostru CANApe), iar
slave-ul este partea echivalentă a standardului XCP implementată în funcția S
din modelul Simulink al mediului de testare SiL
Deoarece simularea nu este în timp real, este nevoie de o corelare între
timpul de achiziţie al masterului şi al slave-ului.
4.3.2. Implementare scheduler OS (Operating System)
Sistemul de operare folosit pentru dezvoltarea aplicaţiei este
OSEK/VDX. Modul de implementare a sistemului de operare OSEK/VDX este
prezentat în Figura 4.4. S-a urmărit menţinerea codului original pentru
implementarea task-urilor aplicaţiei, părțile emulate fiind scheduler-ul
sistemului de operare şi accesul la periferice.
Figura 4.4 Arhitectura sistemului de operare OSEK/VDX.
18

Scheduler-ul sistemului de operare a fost modelat ca şi în diagrama bloc
din Figura 4.5, ca parte integrantă a metodei mdlOutputs
Figura 4.5 Emularea sistemului de operare.
Schedulerul este implementat doar pentru cazul în care taskurile sunt
definite ca non-preemtive (un task nu poate fi întrerupt de un alt task,
indiferent de prioritatea acestuia) şi astfel alese, încât ele să nu se întrerupă
reciproc, fiind chemate la intervale diferite de timp. Oricum, chiar şi o
implementare de tip preemtive a taskurilor (taskurile se pot întrerupe unul pe
celălalt în funcție de priorități) nu ar fi o problemă pentru mediul de testare
SiL, modul de execuţie al codului funcţiei S fiind de o asemenea manieră
conceput, încât toate funcţiile se execută la fiecare chemare, dezavantajul
constând în creşterea timpului de simulare.
4.3.3. Emularea perifericelor sistemului embedded
Emularea perifericelor s-a făcut în interiorul metodei mdlOutputs().
Metoda mdlOutputs() este apelată de către motorul de simulare Simulink la
fiecare pas al simulării. Interfaţa dintre funcţia S şi restul modelului Simulink
se face prin vectorii de intrare şi ieşire ai funcţiei S, vectori accesibili
utilizatorului din interiorul metodei mdlOutputs(). Aceşti vectori sunt
actualizaţi la fiecare pas de simulare cu valorile dorite: vectorii de intrare cu
valorile corespunzătoare furnizate de la celelalte subsisteme ce interacţionează
cu funcţia S, iar vectorii de ieşire cu valorile rezultate în interiorul metodei din
rularea codului utilizatorului (în cazul nostru software-ul sistemului
embedded). Pentru a avea acces la aceste valori folosind funcţiile modificate de
la nivelul LLD-ului, s-au creat buffere de intrare şi ieşire, buffere ce simulează
funcţionarea hardware a perifericelor. Aceste buffere au fost implementate ca
şi structuri, numărul de câmpuri fiind egal cu numărul de intrări/ieşiri
implementate pentru fiecare periferic. S-au implementat buffere pentru
următorele periferice: ADC, DI, PEC, CAN ca şi întrări, respectiv DO, PWM,
CAN ca şi ieşiri.
19

Figura 4.6 Emularea perifericelor sistemului embedded.
4.3.4. Compilarea şi linkeditarea automată a funcţiei S
Procesul de obţinere a funcţiei S a fost dezvoltat ca un proces automat,
unde orice componentă poate fi adăugată doar prin definirea ei în fişierul cu
componentele ce trebuie compilate. Scriptul a fost implementat în programul
Perl, iar ca şi compilator s-a folosit Microsoft Visual Studio 6. Diagrama
procesului automat de obţinere a funcţiei S este exemplificat în Figura 4.7.
Figura 4.7 Procesul de generare a funcţiei S.
4.3.5. Facilităţi de rulare pas cu pas a codului funcţiei S
Pentru a putea face debugging pentru funcţia S generată, aceasta
trebuie să aibă simbolurile de debugging incluse în executabilul *.mexw32.
Pentru acest lucru, ea trebuie compilată având opţiunea –d activată în fişierul
ce conţine opţiunile de compilare ale funcţiei S. Executabilul astfel obţinut se
încarcă în Microsoft Development Environment, unde i se asociază ca şi
program de execuţie Matlab.
4.3.6. Implementarea interfeţei grafice pentru testele manuale (GUI)
Implementarea interfeţei grafice s-a făcut folosind tool-ul Guide din
Matlab/SIMULINK. Orice modificare a parametrilor de control din interfaţa
grafică modifică parametrii corespunzători din modelul Simulink on-the-fly,
20

folosind metoda CallBack. Parametrii ce trebuie măsuraţi sunt afișați în
interfaţa grafică prin asocierea unui listener pentru fiecare eveniment generat
în momentul updatării blocului în Simulink (Display sau Scope) ce
monitorizează valoarea respectivă. Listener-ul este un fişier de tip *.m care
execută anumite operaţii, în cazul nostru actualizarea parametrilor din GUI.
4.4. Generarea testelor automate
Generarea automată a vectorilor de test se face folosind scripturi
implementate în Phython, vectori care se pot folosi mai departe pentru testele
funcționale în circuit. Fiecare script implementat rulează simularea, rulează
CANApe, setează vectorii de test la intrare, citeşte datele şi le compară cu cele
valide, rezultatul fiind un fişier raport. Avantajul constă în uşurinţa cu care se
generează testele de integrare şi regresie, pornind de la fiecare test individual,
conceput în timul dezvoltării software-ului. În procesul de testare automată
Phython este masterul, mediul de testare SiL şi CANApe fiind slav-ul. De
reţinut faptul că din punct de vedere al protocolului XCP implementat,
CANApe este considerat slave, iniţializarea programelor de către Phython
trebuie făcută în următoarea ordine: Simulink (mediul de testare SiL) şi
CANape.
4.5. Mediul de testare SiL – Rezultate experimentale
Mediul de testare SIL implementat s-a făcut pentru un sistem
embedded de control al turaţiei unui motor de curent continuu, al cărui
hardware a fost dezvoltat în jurul microcontroller-ului C167CR [14]. Aplicaţia
de control a fost dezvoltată pentru sistemul de operare OSEK/VDX, sistem de
operare care rulează pe microcontroller. Sistemul de operare folosește doar
două taskuri din cele implementate: cel de 5ms, în care se calculează viteza de
rotaţie a motorului şi cel de 10ms, pentru algoritmul de control şi transmiterea
mesajelor pe CAN. Algoritmul de control implementat este de tipul PID.
Mediul de testare SiL, implementat în Simulink, este prezentat în Figura 4.8.
Folosind mediul de testare se pot determina cu ușurință performanțele
algoritmului PID, atunci când peste semnalul util se suprapune zgomot.
Figura 4.8 Mediul de testare SIL.
S-au implementat modele suplimentare pentru driverul PWM, senzorul
de turaţie, driverul CAN de intrare/ieşire.
21

Datele de ieşire, obţinute în urma simulării, pot fi vizualizate fie prin
urmărirea lor directă în Simulink, fie în interfaţa grafică. Accesul la
variabilele locale ale ECU se poate face doar folosind CANApe. Ca şi exemplu,
am luat spre verificare variabila de intrare, ce are ca rezultat turaţia
motorului obţinută în urma emulării PEC-ului şi variabila de ieşire, ce
furnizează informaţia legată de factorul de umplere a semnalului PWM.
Eroarea dintre datele obţinute în CANApe (Figura 4.9 c), obţinute în Simulink
(Figura 4.9 b) și cu cele obținute în interfața grafică (Figura 4.9 a) este 0.
a.
c.
Figura 4.9 a. Datele de ieşire vizualizate cu interfaţa grafică; b. Datele de ieşire
vizualizate direct in Simulink; c. Datele de ieşire vizualizate direct cu CANApe.
22
b.

Capitolul 5
5. Concluzii finale și contribuții personale
Evoluţia dinamică a pieţei echipamentelor electronice din industria auto,
precum și nevoia implementării de funcții din ce în ce mai complexe în
interiorul ECU, conduc la necesitatea folosirii de microcontrolere din ce în ce
mai performante. Acest lucru face ca ponderea software-ului sistemului
embedded dezvoltat să fie din ce în ce mai mare, existența unor medii de
proiectare și testare capabile să satisfacă complexitățile cerute, devenind din ce
în ce mai necesară.
Prin dezvoltarea acestei teze s-au urmărit reducerea costurilor de
dezvoltare și testare a sistemelor embeded de control automate, urmând trei
direcţii principale:
• reducerea costurilor de producţie prin folosirea de soluţii ieftine şi
fiabile, prin optimizarea algoritmilor și implementarea lor pe µC
cu resurse reduse;
• reducerea timpului și costurilor dezvoltării codului, prin folosirea
generatoarelor de cod automate;
• reducerea timpului și costurilor testării, prin dezvoltarea unor
medii integrate de testare cu cost redus de tip SiL.
În capitolul 2 s-a urmărit determinarea şi implementarea unei metode
de măsurare a frecvenţei pentru un domeniu de intrare cuprins între 1Hz şi
10000Hz, cu o precizie mai mare de 1Hz pe întreg domeniu. S-au studiat trei
metode de măsură pentru care s-au evaluat performanțele legate de acuratețe
și domeniu de măsură. Ele au fost testate experimental pe un sistem dezvoltat
în jurul µC C167CR, determinându-se frecvența maximă și timpii de ocupare ai
microcontrollerului în cazul măsurării simultane a trei intrări. În scopul
determinării performanțelor legate de timpii de ocupare s-a implementat un
program de monitorizare de tip profiler.
Dintre metodele studiate, raportându-ne la domeniul de măsură,
rezultatele cele mai puțin satisfăcătoare sunt date de metoda II, nefiind
recomandabilă implementarea acesteia în sistemele embedded. Nici una din
metodele studiate nu poate fi implementată pentru măsurarea unei frecvențe
cu acuratețea dorită pe întreg domeniul specificat.
Performanțele metodelor studiate sunt:
• Metoda I – domeniul de măsură este limitat, el începând de la
o frecvență de este între 38,1476Hz având o eroare absolută de
40Hz la frecvența de 10000Hz.
• Metoda II îmbunătățită – domeniul de măsură este cel dorit,
eroarea absolută la frecvența de 10000 Hz fiind de 40Hz.
• Metoda III îmbunătățită – domeniul de măsură începe la 200
Hz, eroarea absolută fiind de 0,8Hz la frecvența de 10000 Hz.
Analizând datele furnizate de către profiler, din punct de vedere a
timpului optim de execuție, metoda nou propusă produce cea mai mică
încărcare pe întreg domeniul (mai mică de 14,53%), deși timpul de execuție al
23

utinelor este mai mare. Acest lucru se datorează unității PEC, care realizează
transferuri între unitatea CAPCOM și vectorul de memorie fără ajutorul CPU.
Deși implementarea metodei noi este strâns corelată de µC C167CR și
perifericele acestuia, ea poate fi transpusă și pentru alte tipuri de
microcontrollere.
În capitolul 3 s-a urmărit dezvoltarea unei metode prin care codul
sistemului embedded de control să fie generat automat din modelul Simulink
folosit în stadiul de modelare. De asemenea, s-a obținut o metodă validă prin
care algoritmului de control cu parametrii acordați prin modelare este
funcțional și la implementarea lui pe un sistem embedded de control, prin
generarea automată a codului din model.
Avantajul folosirii modelelor în acordarea algoritmilor de reglaj constă
în:
• calitatea nedestructivă a testelor, potențialele riscuri și probleme
ce pot apărea în lumea reală putând fi anticipate;
• optimizarea costurilor prin reducerea timpilor de dezvoltare a
software-ului sistemelor embedded;
• îmbunătățirea calității produselor.
Generarea automată a codului direct din modelul Simulink este un
proces dependent de modul de implementare al modelului. Aceeași
funcționalitate poate fi implementată în moduri diferite, codul rezultat prin
generare automată fiind diferit. De aceea modelul trebuie implementat de o
asemenea manieră încât codul obținut prin generare automată să fie optim.
Acest aspect se poate obține prin două metode:
• un proces redundant care implică la fiecare pas modificarea
modelului, generarea codului și compararea cu rezultatele
anterioare. Deși obținea codului optim este un proces consumator
de timp, obținerea în final a unui model optim cu posibilitatea
folosirii lui ca și referință în proiectele următoare duce la o
scădere a costurilor;
• folosirea codului deja implementat și considerat ca optim pentru
anumite funcționalități ca și sursă pentru generatorul automat
de cod.
De obicei, procesul de generarea automată a codului este o combinație
între cele două metode.
Metodele folosite pentru generarea automată a codului, precum și
îmbunătățirile aduse, sunt exemplificate prin implementarea unui sistem
embedded de control a turației unui motor de curent continuu. Pentru
implementarea modelului Simulink a acestui sistem, s-au determinat pe cale
empirică parametrii motorului de curent continuu. Parametrii obținuți folosind
diferite metode de măsură au o acuratețe bună, ei fiind folosiți în modelarea
sistemului și în testarea funcțională prin modelare a algoritmului de control
implementat. Pentru modelarea sistemului în Simulink s-au implementat
următoarele modele: modelul motorului de curent continuu, modelul driverului,
modelul senzorului și modelul asociat algoritmului de control de tip PID.
Pentru algoritmul de control s-au testat două implementări: folosind blocurile
existente în Simulink și încapsularea codului algoritmului de control într-o
funcție S. Validarea parametrilor măsurați s-a făcut prin:
24

• compararea curbelor de funcţionare ale motorului obţinute prin
simularea modelului cu parametrii măsuraţi în Simulink cu cele
oferite de producător;
• compararea răspunsurilor la un semnal de tip treaptă pentru
modelul simulat și motorul de curent continuu real.
Metodele folosite în acordarea algoritmilor de control pentru sisteme
embedded au fost validate prin compararea rezultatelor experimentale cu cele
practice. Probleme apărute sunt legate de metoda de discretizare aleasă pentru
modelele motorului și complexitatea modelelor simulate pentru senzor și driver.
De asemenea, pentru modelul algoritmului de control pasul simulării trebuie
să fie identic cu perioada de eșantionare a sistemului embedded real.
În scopul optimizării codului generat automat, precum și a posibilității
de integrare a codului dezvoltat de programator în software-ul final, s-au
implementat cu succes funcții de tip S-inlined. Codul obținut în urma
procesului de generare automată a fost implementat și testat pe un sistem
embedded dezvoltat în jurul microcontrollerului C167CR.
În capitolul 4 s-a urmărit dezvoltarea unui mediu de testare SiL
implementat în Matlab/Simulink, în scopul reducerii costurilor destinate
testării. Arhitectura propusă pentru implementare este un concept nou,
urmărindu-se obținerea compatibilității cu tool-urile standard folosite pentru
testare în producție.
Costul dezvoltării software-ului sistemelor embedded nu este dependent
numai de efortul de implementare, ci și de calitatea lui. Calitatea software-ului
sistemelor embedded este asigurată prin testarea acestuia. Îmbunătățirea
calității testării corelată cu reducerea efortului alocat proiectării acestuia, duce
la optimizarea costurilor dezvoltării sistemelor embedded. Găsirea defectelor
încă din faza de modelare, prin folosirea metodelor de testare de tip SiL și HiL,
reduce costurile necesare reparării sau mascării defectelor produselor finale.
Pentru dezvoltarea conceptului mediului de testare SiL și validarea
acestuia, s-a ales implementarea lui pentru un sistem embedded de control
automat pentru un motor de curent continuu. Software-ul sistemului
embedded supus testării este dezvoltat pentru microcontrollerul C167CR,
rulând la nivelul Aplicație pentru sistemul de operare în timp real OSEK/VDX.
Mediul de testare SiL a fost implementat în Simulink. Pentru aceasta s-a
implementat o funcție S, în care este emulat scheduler-ul sistemului de operare
și partea de LLD, în condițiile în care codul de la nivelul aplicație este menținut
nemodificat. De asemenea, au fost implementate funcțiile ce fac transferul
între vectorii de intrare/ieșire ai funcției S și variabilele de intrare/ieșire de la
nivelul LLD. Codul de la nivelul LLD a fost modificat în scopul mascării
erorilor generate de accesul memorie microcontrollerului. Procesul de generare
al funcției S este dezvoltat folosind un script automat, integrarea noilor module
făcându-se cu ușurință, prin definirea lor în fișierele de compilare. S-a
implementat, de asemenea, o interfață grafică pentru testarea manuală,
comunicaţia între interfaţă şi modelul Simulink făcându-se folosind funcţii
callback şi listener-uri asociate evenimentelor PostOutputs la nivelul
blocurilor din Simulink.
25

Asigurarea compatibilității vectorilor de test cu sistemele de testarea
folosite în etapele de dezvoltare ulterioare s-a făcut prin implementarea
protocolului XCP, folosind ca nivel transport TCP/IP via Ethernet.
Mediul de testare SiL astfel implementat este complet funcțional, având
posibilitatea rulării testelor în două moduri:
• manual, prin folosirea interfeței grafice implementate;
• automat, folosind scripturi implementate în Phython.
Dezvoltarea modului de testare automat reduce din timpul testării prin
execuția rapidă a testelor de integrare și regresie la fiecare adăugare a unei
componente sau modificarea unei componente existente.
Avantajele mediului de testare SiL, implementat în Simulink sunt:
• asigurarea unei metode de testare non-distructive și low cost,
toate aplicațiile putând rula pe același PC. Mai mult, mai multe
medii de testare, pentru diferite sisteme embedded, pot rula pe
același calculator (avantaj major față de HiL unde se folosește un
mediul de testare pentru fiecare sistem embedded);
• implementarea protocolului XCP facilitează folosirea acelorași
tool-uri de-a lungul întregului proces de testare;
• determinarea erorilor ce apar între modelele algoritmilor de
control simulate și cele implementate pentru sistemele embedded
din cauza erorilor de precizie datorate reprezentărilor diferite ale
datelor (virgula mobilă pentru simulatoare și virgulă fixă pentru
sistemul embedded).
Dezavantajele mediului de testare SiL sunt în principal legate de
incapacitatea identificării defectelor generate de implementările hardware și
imposibilitatea determinării timpilor de execuție a codului.
Avantajele folosirii aceloraşi tool-uri , atât pentru testele în faza de
modelare, cât și pentru testele de drum constau în:
• posibilitatea comparării rezultatelor obţinute în urma testărilor
făcute cu diferite medii de testare (SiL, HiL sau reale);
• reducerea costurilor de testare (nefiind nevoie de adaptarea
vectorilor de test la alte tool-uri);
• posibilitatea implementării vectorilor de test încă din stadiile
incipiente ale dezvoltării software.
Pe tot parcursul tezei s-a urmărit o continuare în abordare pornind de la
nivelul fizic, reprezentat de optimizarea performanțelor metodelor de măsură și
înglobarea lor ca și blocuri în generatoarele automate de cod, la nivel
conceptual, reprezentat prin dezvoltarea conceptelor legate de generarea
automată a codului și implementarea mediului de testare SiL.
Prin elaborarea acestei teze de doctorat, autorul consideră că s-au adus
câteva contribuţii, sintetizate după cum urmează:
În capitolul 2 contribuțiile personale sunt legate de îmbunătățirea
performanțelor metodelor de măsură și constau în:
• Determinarea prin simulare și experimentață a performanțelor
metodelor de măsurare a frecvenței. În acest scop s-au dezvoltat
aplicații Matlab pentru partea de simulare și s-au implementat
programe software pentru partea experimentală;
26

• Propunerea unei metode de măsurare a frecvenței care să asigure
performanțele cerute;
• Evaluarea performanțelor metodei implementate prin simulare;
• Implementare program pentru determinarea experimentală a
performanțelor metodei implementate;
• Implementare concept profiler pentru evaluarea timpului de
execuție a codului și a încărcării microcontrollerului;
• Implementare cod profiler;
• Implementare cod MATLAb pentru analiza datelor furnizate de către
profiler.
Contribuțiile legate de modelarea sistemelor embedded de control automate și
generarea automată a codului folosind aceste modele sunt prezentate în
capitolul 3, ele fiind:
• Validarea modelului motorului de curent continuu cu parametri
determinați experimental prin două metode;
• Implementarea numerică a algoritmului de control PID într-o funcție
de tip S, cu scopul folosirii în modelarea sistemului de control;
• Analiza diferitor tipuri de implementări Simulink pentru modelul
sistemului de control;
• Implementarea de programe Matlab pentru prelucrarea datelor
furnizate de xPC Target;
• Implementarea funcțiilor de tip S-inlined pentru generarea automată
a codului personalizat;
• Dezvoltarea conceptului de generare automată a codului.
Contribuțiile personale prezentate în capitolul 4 sunt legate de dezvoltarea
mediului de testare SiL, ele fiind:
• Dezvoltarea conceptului și a arhitecturii mediului de testare SiL în
Matlab/Simulink;
• Emularea sistemului de operare OSEK;
• Implementarea protocolului de comunicare XCP ca parte integrată a
mediului de dezvoltare SiL;
• Implementarea conceptului de emulare a părții de LLD;
• Implementare conceptului de testare automată pentru a facilita
testele de integrare și regresie;
• Implementare interfeței grafice în Matlab pentru efectuarea testelor
automate;
• Implementarea conceptului de compilare și linkeditare automată a
funcției de tip S;
• Implementarea mediului de testare SiL în Matlab/Simulink pentru
software-ul sistemului embedded de control al turației unui motor de
curent continuu.
Rezultatele obținute au fost validate în contractele de cercetare cu firma
Continental GmbH, Germania, precum și în 12 articole publicate la conferințe
internaționale.
27

5.1. Perspective de dezvoltare
Necesitatea implementării unui număr din ce în ce mai mare de funcții
într-un sistem embedded din ce în ce mai compact, impune migrarea lor
dinspre partea de hardware spre partea de software. Dezvoltarea manuală a
codului sistemelor embedded precum și testarea lor este un proces lent,
generator de costuri suplimentare, care duc la scăderea competitivității
producătorilor. Soluția menținerii competitivității pe o piață din ce în ce mai
dinamică, constă în reducerea timpilor de proiectare și îmbunătățirea calității
produselor prin migrarea proiectării înspre partea de generarea automată a
codului și testarea automată a lui.
În scopul generării automate a codului, ca și perspective de dezvoltare la
soluțiile propuse în această teză, se pot implementa funcții S-inlined pentru
alte periferice sau blocuri funcționale ce pot fi implementate în microcontroller.
De asemenea, se pot aduce îmbunătățiri și altor metode de măsură specifice
sistemelor embedded și implementarea unor noi blocuri care să conțină codul
sursă al noilor protocoale de comunicație standardizate în industria auto (de
exemplu protocolul SENT – Single Edge Nibble Trasmission). Acest lucru
poate conduce în final la implementarea unui nou toolbox Simulink. Blocurile
incluse în toolbox pot fi transpuse cu ușurință, cu scopul folosii lor pentru
generarea codului specific altor tipuri de microcontrollere.
Ca și direcții de continuare a cercetării în domeniul testării automate,
sunt identificate următoarele:
• emularea altor funcții hardware (de exemplu memorii, circuite de tip
watchdog, etc.) și integrarea lor în mediul de testarea SiL existent;
• dezvoltarea unui concept pentru implementarea duală într-un singur
model a mediilor de testare SiL și HiL, prin care alegerea sistemului
de simulare să se facă cu ușurință.
• dezvoltarea unor concepte de îmbunătățire a timpilor de simulare ale
mediului de testarea SiL, prin optimizarea modelelor folosite,
folosirea de diferiți pași de simulare pentru modele diferite, în funcție
de acuratețea obținută pentru fiecare model.
• dezvoltarea mediului de testare SiL pentru satisfacerea noilor cerințe
impuse prin standardul AUTOSAR;
• adaptarea arhitecturii SiL la arhitecturi la standardele de testare ce
vor fi impuse în viitor.
5.2. Premii obținute
SIITME2004 – Excellent presentation award for a young scientiest – Optimal
placing of the decoupling capacitors on a PCB board
ISSE 2006 – Excellent Poster Award for Young Scientists – OrCAD Link Tool
for Automated Optical Inspection of Assembled Boards
5.3. Publicații citate în teză
1. Marius Muresan, Dan Pitica, Gabriel Chindris, " Performances
Evaluation of Frequency Measurement Techniques in Automotive
28

Industry", ISSE 2007, Cluj-Napoca, Romania, Pag: 187 - 191, DOI:
10.1109/ISSE.2007.4432845
2. Muresan Marius, Gabriel Chindris, Embedded Bluetooth data
acquisition system, SITTME2005, Cluj-Napoca, Romania, pg. 260-263,
ISBN 973-713-063-4
3. Muresan M., Pitica D., Simulating embedded targets for efficient code
implementation, Electronics Technology, 2009. ISSE 2009. 32nd
International Spring Seminar, DOI: Digital Object Identifier:
10.1109/ISSE.2009.5206997 , Pag: 1 – 4ă
4. Chindris G., Muresan M., Deploying Simulink Models into System-On-
Chip Structures Electronics Technology, 2006. ISSE '06. 29th
International Spring Seminar, DOI: 10.1109/ISSE.2006.365120, Pag:
313 - 317
5. Chindris G., Pitica, D., Muresan M., Intelligent power control using
System-On-Chip devices, Electronics Systemintegration Technology
Conference, 2008. ESTC 2008. 2nd 1-4 Sept. 2008 Page(s):571 - 576
Digital Object Identifier 10.1109/ESTC.2008.4684413 - IEEEXPLORE
6. Muresan M., Pitica D., Chindris G., Calibration parameters principles
for MATLAB S-functions using CANApe, Electronics Technology, 2008.
ISSE '08. 31st International Spring Seminar on
DOI: 10.1109/ISSE.2008.5276436, Pag: 105 – 110
7. Muresan M., Pitica D., Chindris G., Using Matlab xPC Target for
Testing and Developing of Embedded Control Systems Using Hardware
in the Loop, Smart Applications & Tecnologies for Electronic
Engineering, September 9-11, 2010, Alba Iulia, Romania, ISBN: 987-
973-1890-27-2, Pag:87-88
8. Chindris G., Muresan M., System Modelling for Advanced PWM Control,
Smart Applications & Tecnologies for Electronic Engineering,
September 9-11, 2010, Alba Iulia, Romania, ISBN: 987-973-1890-27-2,
Pag:75-76
9. Chindris G., Suciu A., Muresan M., High-entropy random number
generators using system on chip devices, Electronics Technology, 2008.
ISSE '08. 31st International Spring Seminar on 7-11 May 2008
Page(s):280 – 283, Digital Object Identifier 10.1109/ISSE.2008.5276652
10. Chindris G., Muresan M., Bipolar Junction Effects for High Entropy
Data Harvesters, Symbolic and Numeric Algorithms for Scientific
Computing, 2008. SYNASC '08. 10th International Symposium on 26-29
Sept. 2008 Page(s):449 – 452 Digital Object Identifier
0.1109/SYNASC.2008.90 – IEEEXPLORE
11. Chindris G., Pitica D., Muresan M., Dynamic Re-Configuration Model
for System-On-Chip Design for Test and Testability, Electronics
Systemintegration Technology Conference, 2006. 1stVolume 2, 5-7 Sept.
2006 Page(s):1236 - 1241 Digital Object Identifier
10.1109/ESTC.2006.280168 – IEEEXPLORE
12. Muresan M., Pitica D., In Circuit Test Tool for FPGA boards using IEEE
1149.1, SIITME2006, Iasi, Romania, , ISBN 978-973-8961-23-4
29

5.4. Publicații din domenii adiacente subiectului tezei
1. Muresan M., Pitica D., Chindris G., OrCAD Link Tool for Automated
Optical Inspection of Assembled Boards, Electronics Technology, 2006.
ISSE '06. 29th International Spring Seminar on May 2006 Page(s):304
308 Digital Object Identifier 10.1109/ISSE.2006.365118 –
IEEEXPLORE
2. Muresan M., Chindris G., PSoC dual sensor for pressure and
temperature using bipolar junction effects, Electronics Technology:
Meeting the Challenges of Electronics Technology Progress, 2005. 28th
International Spring Seminar on 0-0 0 Page(s):62 - 66 Digital Object
Identifier 10.1109/ISSE.2005.1491000 - IEEEXPLORE
3. Muresan M., Dan P., Gabriel C., Automated Optical Inspection tool
using the LPKF PCB mechanical prototyping machine, Electronics
Systemintegration Technology Conference, 2008. ESTC 2008. 2nd 1-4
Sept. 2008 Page(s):1359 - 1362 Digital Object Identifier
10.1109/ESTC.2008.4684553 - IEEEXPLORE
4. Marius M., Serban L., Ovidiu P., Modern education methods in
extracting power factor preregulator's parameters, Electronics
Technology: Meeting the Challenges of Electronics Technology Progress,
2004. 27th nternational Spring Seminar on Volume 3, 13-16 May 2004
Page(s):393 - 397 vol.3
5. Muresan Marius, Dan Pitica, Optimal placing of the decoupling
capacitors on a PCB board, SIITME2004, Bucharest, Romania, pg. 30-34,
ISBN 973-9463-83-5
6. Chindris Gabriel, Horia Hedesiu, Muresan Marius, Remote Access for
Power Systems Quality Supervision - SIITME2005, Cluj-Napoca,
Romania, ISBN 973-713-063-4, pg.117-121
30