Témata
Reklama

Technologie pro návrh, verifikaci a validaci systémů

24. 06. 2009

Metoda Model-Based Design se dnes již neomezuje pouze na oblast výzkumu a vývoje. Stále více výrobců po celém světě užívá tuto technologii i přímo ve výrobě, zejména v automobilovém průmyslu. Výrobní sektor klade velké nároky na nástroje a postupy, které umožňují automatizaci a zlepšení přesnosti verifikace, validace a testování. Bez těchto nástrojů není dnes již možné dosahovat kvality, kterou automobilový trh vyžaduje. Ucelené softwarové prostředí pro kompletní návrh metodou Model-Based Design nabízí systém MATLAB & Simulink firmy The MathWorks.

Mooreův zákon říká, že počet tranzistorů v integrovaných obvodech se každé dva roky zdvojnásobí. Díky tomuto trendu se objem softwaru obsaženého v automobilech, letadlech či spotřební elektronice stále zvyšuje. V minulosti byl embedded software vyvíjen tradičními nástroji, jako jsou editory, kompilátory a debuggery. Velikost a komplexnost embedded softwaru však zapříčinila nedostatečnost těchto nástrojů (obr. 1).

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Tradiční vývojový cyklus a jeho nedostatky

Čím později, tím hůře

Do popředí se dostala i potřeba časného odhalení chyb, protože náklady na jejich odstranění jsou tím větší, čím později je chyba odhalena. Kritické jsou zejména chyby vnesené do vývoje v jeho prvních etapách. Studie provedená společností NASA ukázala, že velké množství chyb objevených při testování bylo ve skutečnosti zapříčiněno již na počátku vývojového cyklu ve fázi specifikace požadavků. Oprava těchto chyb pak byla více než desetkrát nákladnější, než kdyby byly odhaleny již ve fázi návrhu.

Model-Based Design

Model-Based Design (MBD) nabízí řešení nedostatků při vývoji embedded systémů (obr. 2). Jako základ vývojového procesu využívá matematický model systému vytvořený v Simulinku. Simulink je nástroj pro modelování a simulaci dynamických systémů a jejich propojení s algoritmy pro řízení a zpracování signálů. Simulace tak poskytují návrhářům pohled na dynamickou i algoritmickou stránku systému. Modely jsou dále využívány:

  • jako spustitelná specifikace projektu;
  • k propojení se systémovými požadavky a definici rozhraní;
  • jako virtuální prototypy nebo modely kompletního systému;
  • pro automatické generování kódu embedded softwaru;
  • pro hardware-in-the-loop simulace.pro hardware-in-the-loop simulace.
Obr. 2. Vývojový cyklus metodou Model-Based Design

Verifikace, validace a testování

Jedním z nejdůležitějších aspektů Model-Based Designu je schopnost provádět verifikaci, validaci a testování (VV&T) v celém průběhu vývojového procesu, zvláště v jeho časných etapách. Pomocí modelování a simulací mohou vývojáři navrhnout, vizualizovat a odladit větší množství embedded algoritmů než při tradičním vývojovém procesu.

Model-in-the-loop

Hlavní výhodou je možnost použití jednotného testovacího rámce. Vývojáři mohou využít modelovacích nástrojů pro návrh a aplikaci testů na vytvořené modely a potom použít stejné testy na softwarovou implementaci (obr. 3). Tyto testy zahrnují počáteční podmínky, vstupní vektory pro simulace a očekávané výsledky testů. Dobře definované testy obsahují také popis objasňující účel testu a požadavky, které test prověřuje. Celý proces je vytvořen jako testovací rámec, který může být při simulaci opakovaně využit. Tento proces se často označuje jako model-in-the-loop (MIL).

Obr. 3. Jednotné testy pro prověření modelu, vygenerovaného kódu a kódu spuštěného v embedded procesoru

Software-in-the-loop

Testovací rámec vytvořený pro MIL lze pak znovu použít pro testování proti softwarové implementaci modelu. Tato implementace je z modelu v Simulinku získána pomocí nástrojů pro automatické generování kódu a spuštěna v hostujícím vývojovém prostředí. Tato kosimulace se nazývá software-in-the-loop (SIL) a slouží k prověření, zda výsledný kód pracuje ve shodě s navrženým modelem. Protože je pro MIL i SIL použit stejný testovací rámec, je snazší výstupy testů porovnat a dále jakékoli nalezené chyby replikovat.

Processor-in-the-loop

Nástroje jsou však nyní schopné dojít ještě dál pomocí tzv. processor-in-the-loop (PIL) kosimulace. Zde je testován software, který byl zkompilován, uložen a spuštěn na cílovém embedded procesoru (target). Tato technika využívá host-to-target komunikaci poskytovanou integrovaným vývojovým prostředím, které vývojáři používají ke kompilaci a ukládání kódu na cílový procesor. Testy a simulace spuštěné na vývojovém PC synchronně komunikují s kódem běžícím na embedded procesoru. Díky použití shodného testovacího rámce je opět snadné porovnat výsledky PIL s původními výsledky MIL simulace, potvrdit správnost funkce navrženého embedded softwaru a prokázat, že při kompilaci nedošlo ke změně jeho funkčnosti.

Hardware-in-the-loop

V automobilovém průmyslu je běžné, že jsou algoritmy pro řídicí a diagnostickou elektroniku vyvíjeny současně s vývojem fyzických komponent. Softwarová realizace těchto algoritmů je dlouhotrvající proces a musí být započata v časných etapách vývojového cyklu vozidla. Po výsledném sloučení fyzických a softwarových komponent na výrobní lince musí vše fungovat tak jak má. Aby bylo možné prověřit softwarové algoritmy dříve, než jsou dostupné fyzické komponenty, využívá se tzv. hardware-in-the-loop (HIL) simulace. HIL simulace se obvykle používá pro testování hotových elektronických řídicích jednotek (ECU) či prototypových řídicích algoritmů. V HIL simulátoru jsou umístěny matematické modely fyzických komponent systému. Dále jsou k němu připojeny reálné řídicí jednotky. Modely jsou spouštěny v reálném čase a simulují různé možnosti chování systému. Takto se prověřují veškeré možné softwarové cesty uvnitř řídicích algoritmů.

Použití HIL simulace je vhodné i z hlediska bezpečnosti. Například když selže systém řízení brzdového systému při prvním testování ve vozidle, může dojít k destrukci nákladného prototypu nebo ke zranění. Pomocí HIL simulace lze riziko takovéto nehody významně snížit.

Matematické modely fyzických komponent vytvořené v Simulinku lze využít nejprve při návrhu algoritmů pro embedded software a následně je pomocí nástroje Real-Time Workshop přeložit do formy spustitelné v reálném čase na HIL simulátorech (obr. 4). Lze například využít špičkové HIL simulátory společnosti dSPACE.

Obr. 4. HIL simulátor firmy dSPACE

Závěr

Náklady na odstranění chyb narůstají tím více, čím později jsou chyby objeveny. Zásadní výhodou metody Model-Based Design je možnost vytváření testů současně s návrhem systému. Výsledný testovací rámec použitelný pro MIL, SIL i PIL pomáhá vývojářům nalézt chyby již v časných etapách vývoje a zajistit, aby během implementace a integrace nevznikly nové. HIL simulace pak přináší možnosti nedestruktivně testovat nejrůznější systémy, čímž se ušetří za nákladné testovací prototypy.

Jaroslav Jirkovský

Humusoft

www.humusoft.cz

jirkovsky@humusoft.com

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 90611
Datum: 24. 06. 2009
Rubrika: Trendy / CAD/CAM/CAE
Autor:
Firmy
Související články
Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

Nové funkce pro automatizaci obráběcího procesu

Nová verze CAD/CAM softwaru TopSolidAM V7.13 přináší především jednodušší programování s funkcemi, které se velmi snadno používají. Výsledkem je úspora času, které lze dosáhnout díky novému vysoce výkonnému režimu analýzy kolizí a možnosti provádět řadu úloh zcela automaticky, což přináší celkově vyšší úrovně automatizace obráběcích procesů. V nové verzi najdeme i novou strategii najíždění, která zajistí vyšší životnost obráběcích nástrojů.

Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

Související články
Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

Budoucnost české výroby

Česká výroba prochází složitým obdobím. Naši výrobci musí každý den řešit složité úkoly a problémy, za které si z části ani nemohou. Doba už je taková, je potřeba se jí ale postavit čelem.

Edge computing pomáhá definovat podnikovou přeměnu

Edge computing už není jen vzdálený koncept. Jak podniky implementují flexibilní řešení pro hybridní cloud a jak se pokrok v open source systémech, jako je Kubernetes, a technologiích pro 5G stává realitou, tak se rozvíjí i edge computing. Kombinací těchto technologických sil vzniká rámec pro podnikové řešení edge computingu, které vezme moc z rukou několika a předá ji do rukou mnoha .

Aditiva s nanočásticemi a vlastnosti procesních kapalin

Myšlenka, že lze v různých výrobních procesech použít kovoobráběcí kapaliny - Metalworking Fluids (MWF), aby se zajistila kvalita obrobku, snížilo opotřebení nástroje a zvýšila produktivita procesu, je velmi stará. Už Leonardo da Vinci vytvořil několik testovacích sestav umožňujících analýzu tření za různých podmínek.

Kolaborativní roboty - potenciál automatizace v automobilovém průmyslu

Kolaborativní roboty, neboli koboty, vytvářejí další příležitosti pro automatizaci automobilového průmyslu. Jsou charakteristické svou schopností pracovat ve specifické výrobní oblasti, po boku pracovníků. Dále pak rychlou implementací a snadným přesunem na nové úkoly. V neposlední řadě i intuitivním programováním a obsluhou. Mohou pomoci v procesech jako je vstřikování, při obsluze strojů nebo při balení a paletizaci ve velkých i malých podnicích.

Cesta k budoucímu růstu vede přes investice

Rok 2020 by se dal přejmenovat na Rok černých labutí. Ekonomové k těmto původem australským ptákům přirovnávají události, které nikdo nečeká a které hluboce zasáhnou samotné základy hospodářství. Tak jako to dokázala pandemie nového typu koronaviru. Ze dne na den donutila vlády, aby vypnuly na několik měsíců nejen českou, ale také další klíčové ekonomiky pro české exportéry.

Digitalizujete výrobu? Nezapomeňte na pevné základy

ERP je tradičním podnikovým nástrojem, jehož cílem je podpořit a optimalizovat firemní procesy v rámci jednoho integrovaného řešení. Poskytuje jednotnou datovou základnu, jednotný pohled na dění ve společnosti a svým způsobem je nositelem jednotné verze podnikové pravdy, která je podkladem pro rozhodování managementu.

Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit