1 什么是基于模型的設(shè)計(jì)

基于模型的設(shè)計(jì)（Model-Based Design，MBD）是一種圍繞模型來(lái)展開的項(xiàng)目開發(fā)方法，其開發(fā)理念越來(lái)越受到關(guān)注。

雖然，人的想象力是無(wú)窮的，但肉眼可見的模型往往更能讓人理解和接受。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，MBD就是對(duì) 項(xiàng)目的開發(fā)對(duì)象或目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行精確建模 ，項(xiàng)目的需求分析、功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、代碼生成、產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證等開發(fā)環(huán)節(jié)，甚至項(xiàng)目流程管理、項(xiàng)目迭代開發(fā)管理、自動(dòng)化文檔管理等管理環(huán)節(jié)， 部分或全部在所建模型的基礎(chǔ)上展開的一種開發(fā)方式 。

在MBD開發(fā)中，模型是最終產(chǎn)品的高度數(shù)字化具現(xiàn)，而最終產(chǎn)品的主要組件或功能都基于搭建的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。

基于模型的設(shè)計(jì)

作為對(duì)比，傳統(tǒng)的開發(fā)方法是線性展開的。由于傳統(tǒng)的開發(fā)中沒有對(duì)開發(fā)對(duì)象進(jìn)行建模，不能形成一個(gè)中心點(diǎn)，項(xiàng)目的每一次推進(jìn)，必須保證前面階段的開發(fā)工作已經(jīng)驗(yàn)收完成。這種情況下，前期的設(shè)計(jì)缺陷如果沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，到了項(xiàng)目后期，其修復(fù)成本就會(huì)非常高。

傳統(tǒng)線性開發(fā)

此外，傳統(tǒng)的開發(fā)方法由于沒有中心模型，非常依賴前期的頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，這是抽象、不具體的任務(wù)，需要依賴以往的經(jīng)驗(yàn)。

而MBD的具象化可不僅僅體現(xiàn)在產(chǎn)品形態(tài)上，產(chǎn)品的代碼、產(chǎn)品的測(cè)試都是可以直接由模型生成和實(shí)現(xiàn)的，方便實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能迭代。模型的具象化和可視化能大大提高開發(fā)者的效率。

2 MBD的界限和范圍

對(duì)于初學(xué)者，弄清楚MBD的界限和范圍（Scope）是有意義的，即要知道MBD能做什么，哪些不是MBD覆蓋的內(nèi)容。

Tips ：在項(xiàng)目中，Scope一詞常用來(lái)描述一個(gè)事物能做什么，不能做什么，那些內(nèi)容是屬于它的，那些內(nèi)容不屬于它。但在中文語(yǔ)境沒有一個(gè)含義接近的詞語(yǔ)，因此這里的“界限和范圍”使用的是Scope的直譯。

從大的范圍來(lái)說(shuō)，MBD本質(zhì)上屬于嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，但它不適用于所有的嵌入式項(xiàng)目。MBD適用于具有 控制器 （Controller）和 執(zhí)行器 （Actuator）的嵌入式電控裝置。

這些應(yīng)用中一般具有特定的算法、信號(hào)處理、控制執(zhí)行、通訊等組成要素。例如無(wú)人機(jī)、電機(jī)控制、電池管理系統(tǒng)、機(jī)器人等。如下圖所示：

MBD的界限和范圍

Tips ：不適合MBD的應(yīng)用包括各種穿戴設(shè)備、影音設(shè)備等，因?yàn)樗鼈儾⒉贿m合建模，MBD也不適合桌面端的軟件開發(fā)。

MBD支持的嵌入式軟件開發(fā)，包括DSP、MCU、FPGA等不同的芯片。

由于作者能力有限，接觸最多的是在MCU上的MBD開發(fā)，文章介紹的也以這種為主。不過不同芯片的MBD本質(zhì)是相同的，它們更多的體現(xiàn)在工具鏈的使用是不同的。

MBD的核心——模型——便是對(duì)控制器和執(zhí)行器進(jìn)行的建模，有時(shí)候還包括執(zhí)行器的運(yùn)行環(huán)境，所建的模型可以稱為 控制器模型 、 執(zhí)行器模型 （被控對(duì)象模型）和 環(huán)境模型 。

控制器、執(zhí)行器和運(yùn)行環(huán)境之間，以及所建模型和被建模的實(shí)際對(duì)象之間的界限和范圍，也需要有清晰的定義。

2.1 控制器、執(zhí)行器和運(yùn)行環(huán)境的界限

首先要弄清楚控制器和執(zhí)行器的界限在哪里。

我認(rèn)為可以 以MCU為界限 ：在MCU中的所有操作都應(yīng)屬于控制器模型；在MCU以外的所有數(shù)字電路、功率電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)等都應(yīng)屬于執(zhí)行器模型。建模時(shí)可按照這個(gè)界限對(duì)控制器和執(zhí)行器分別建模。

以基于MBD的電機(jī)控制開發(fā)為例，控制器模型包含ADC采樣、信號(hào)處理、FOC算法等，執(zhí)行器包含電源、逆變器、電機(jī)等。

控制器模型和執(zhí)行器模型的作用是不一樣的：前者搭建的是算法模型、軟件框架模型等，它屬于軟件，可以生成代碼。后者則是實(shí)際對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（電機(jī)、整流電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)等），用于算法、功能的測(cè)試，是控制器的控制對(duì)象。

控制器模型和算法模型通過傳感器信號(hào)和控制信號(hào)連接起來(lái)，如下圖所示：

控制器模型和執(zhí)行器模型

控制器模型和執(zhí)行器模型是相輔相成的，如果執(zhí)行器增加、減少或改變了功能，控制器也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

相反，如果控制器中的算法得到了優(yōu)化，也可以改進(jìn)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)（例如改進(jìn)電路、傳感器的布置等）。

環(huán)境模型即執(zhí)行器運(yùn)行時(shí)所在的環(huán)境，是開發(fā)者不能控制的客觀因素和變量。

一般情況下都可以不用考慮，但在一些特定的應(yīng)用中，環(huán)境會(huì)影響控制器和執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，這時(shí)候就需要考慮搭建環(huán)境模型。

例如無(wú)人機(jī)，它的執(zhí)行器包括電機(jī)、螺旋槳等，但環(huán)境因素也是影響飛控算法的重要因素，搭建模型時(shí)就需要考慮對(duì)環(huán)境建模。

2.2 模型和實(shí)際對(duì)象的界限

其次要把握好仿真模型和實(shí)際對(duì)象之間的界限和范圍。實(shí)際對(duì)象是具體的，仿真模型則是實(shí)際對(duì)象的數(shù)學(xué)描述

控制器模型越準(zhǔn)確，模型生成的代碼在真正的MCU中運(yùn)行時(shí)就越符合設(shè)計(jì)目標(biāo)；執(zhí)行器模型越準(zhǔn)確，就可以對(duì)控制器算法、功能等進(jìn)行更加全面的驗(yàn)證和測(cè)試。所以模型的準(zhǔn)確性影響著MBD的實(shí)際效果。

但MBD不需要模型和實(shí)際對(duì)象保持完全一致，也不可能實(shí)現(xiàn)完全一致，模型所能覆蓋的范圍是實(shí)際對(duì)象的子集。

模型可以省略一些不重要的因素，保留核心功能、最能體現(xiàn)實(shí)際對(duì)象的特征進(jìn)行建模 。這樣做是有意義的，它可以保證項(xiàng)目功能的開發(fā)以外，還能節(jié)約建模的時(shí)間。

例如，很多時(shí)候控制器模型中的ADC采樣會(huì)被忽略，直接使用執(zhí)行器模型返回的數(shù)據(jù)；在執(zhí)行器模型中，往往也會(huì)采用簡(jiǎn)化的電機(jī)模型。

這種簡(jiǎn)化不會(huì)影響算法實(shí)現(xiàn)、軟件框架或執(zhí)行器的功能設(shè)計(jì)。