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Eine Anleitung zur Entwicklung
von Simulink-Targets für die Lehre
10. MBEES 2014, Dagstuhl
Frank Tränkle
Automotive Systems Engineering
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
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
07.03.2014 Seite 2
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
Studiengänge Automotive Systems Engineering
Bachelor-Studiengang Automotive Systems Engineering
Seit 2002
7 Semester
25 Studierende pro Semester
Schwerpunkte
System-Entwicklung für Kraftfahrzeuge
Elektronische oder Mechanische Systeme
Master-Studiengang Automotive Systems Engineering
Seit 2006/2014
3 Semester
15 Studierende pro Semester (mit Maschinenbau und
Mechatronik)
07.03.2014 Seite 3
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
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
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Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
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
07.03.2014 Seite 5
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
Lehrveranstaltungen
Modellbasierte Softwareentwicklung
Modellbasierte Softwareentwicklung 6. Semester (contd.)
Labor Autonomes Fahren
Lokalisierung, Trajektorienplanung, Längs- und Querregelung
32-bit-Steuergerät mit Simulink-Target von GIGATRONIK
07.03.2014 Seite 6
Quelle: GIGATRONIK Stuttgart GmbH
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T1 - ASE - Regelungstechnik
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
07.03.2014 Seite 7
Quelle: Emerge Engineering GmbH, Kornwestheim
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T1 - ASE - Regelungstechnik
Anforderungen an Simulink-Targets in der Lehre
07.03.2014 Seite 8
Simulink-Target
Applikations-Modell Simulink-Target
Applikations-Software
Signal-Abstraktions-Schicht
Basis-Software
Compiler
Linker
Programmer
Simulink / Embedded Coder Blockset
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T1 - ASE - Regelungstechnik
Anforderungen an Simulink-Targets in der Lehre
07.03.2014 Seite 9
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.
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
ARM Cortex-M-Steuergeräte für die Lehre
07.03.2014 Seite 10
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
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T1 - ASE - Regelungstechnik
Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M
07.03.2014 Seite 11
Waijung-Blockset (http://waijung.aimagin.com, Thailand)
Embedded Coder Support Packages von Mathworks für STM32
STM32-MAT/TARGET von STMicroelectronics
Applikations-Modell Simulink-Target
Applikations-Software
Signal-Abstraktions-Schicht
Basis-Software
Simulink / Embedded Coder
Compiler
Linker
Programmer
Blockset
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T1 - ASE - Regelungstechnik
Verfügbare Simulink-Targets für ARM Cortex-M
Waijung-Blockset
http://waijung.aimagin.com, 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
07.03.2014 Seite 12
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T1 - ASE - Regelungstechnik
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
07.03.2014 Seite 13
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T1 - ASE - Regelungstechnik
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
07.03.2014 Seite 14
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
Simulink-Target MB-BOX32 für ARM Cortex-M
07.03.2014 Seite 15
Seit 1,5 Jahren in der Entwicklung an der Hochschule Heilbronn
Ausschließlich Applikations-Software wird auto-generiert
Applikations-Modell
Simulink-Target
Applikations-Software
Signal-Abstraktions-Schicht
Basis-Software
Simulink / Embedded Coder
Compiler
Linker
Programmer
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
Simulink-Target MB-BOX32
07.03.2014 Seite 16
Signal-Abstraktions-Schicht und Basis-Software
Projektspezifische Entwicklung der I/O-Treiber
Applikations-Software
Signal-Abstraktions-Schicht
Basis-Software
Scheduler
XCP-Server
(download,
upload, DAQ)
I/O-Treiber Task-Funktionen
Hook-Funktionen
Runnables
Hardware-Abstraktion CMSIS
Initialisierung
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
Simulink-Target MB-BOX32
07.03.2014 Seite 17
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
Prof. Dr.-Ing. Frank Tränkle
T1 - ASE - Regelungstechnik
Zusammenfassung
07.03.2014 Seite 18
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!
