MBD的界限和范圍

1 什么是基于模型的設計

基于模型的設計（Model-Based Design，MBD）是一種圍繞模型來展開的項目開發(fā)方法，其開發(fā)理念越來越受到關注。

雖然，人的想象力是無窮的，但肉眼可見的模型往往更能讓人理解和接受。

簡單的說，MBD就是對 項目的開發(fā)對象或目標產(chǎn)品進行精確建模 ，項目的需求分析、功能設計、系統(tǒng)框架設計、代碼生成、產(chǎn)品測試驗證等開發(fā)環(huán)節(jié)，甚至項目流程管理、項目迭代開發(fā)管理、自動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行設計和開發(fā)。

基于模型的設計

作為對比，傳統(tǒng)的開發(fā)方法是線性展開的。由于傳統(tǒng)的開發(fā)中沒有對開發(fā)對象進行建模，不能形成一個中心點，項目的每一次推進，必須保證前面階段的開發(fā)工作已經(jīng)驗收完成。這種情況下，前期的設計缺陷如果沒能及時發(fā)現(xiàn)，到了項目后期，其修復成本就會非常高。

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計和系統(tǒng)框架設計，這是抽象、不具體的任務，需要依賴以往的經(jīng)驗。

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)品的測試都是可以直接由模型生成和實現(xiàn)的，方便實現(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

對于初學者，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覆蓋的內容。

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

從大的范圍來說，MBD本質上屬于嵌入式開發(fā)領域，但它不適用于所有的嵌入式項目。MBD適用于具有 控制器 （Controller）和 執(zhí)行器 （Actuator）的嵌入式電控裝置。

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

MBD的界限和范圍

Tips ：不適合MBD的應用包括各種穿戴設備、影音設備等，因為它們并不適合建模，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——便是對控制器和執(zhí)行器進行的建模，有時候還包括執(zhí)行器的運行環(huán)境，所建的模型可以稱為 控制器模型 、 執(zhí)行器模型 （被控對象模型）和 環(huán)境模型 。

控制器、執(zhí)行器和運行環(huán)境之間，以及所建模型和被建模的實際對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。

我認為可以 以MCU為界限 ：在MCU中的所有操作都應屬于控制器模型；在MCU以外的所有數(shù)字電路、功率電路、機械結構、電機等都應屬于執(zhí)行器模型。建模時可按照這個界限對控制器和執(zhí)行器分別建模。

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

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。后者則是實際對象的數(shù)學模型（電機、整流電路、機械結構等），用于算法、功能的測試，是控制器的控制對象。

控制器模型和算法模型通過傳感器信號和控制信號連接起來，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，控制器也會發(fā)生相應的改變。

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

環(huán)境模型即執(zhí)行器運行時所在的環(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，但在一些特定的應用中，環(huán)境會影響控制器和執(zhí)行器的設計，這時候就需要考慮搭建環(huán)境模型。

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

2.2 模型和實際對象的界限

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

控制器模型越準確，模型生成的代碼在真正的MCU中運行時就越符合設計目標；執(zhí)行器模型越準確，就可以對控制器算法、功能等進行更加全面的驗證和測試。所以模型的準確性影響著MBD的實際效果。

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

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)實際對象的特征進行建模 。這樣做是有意義的，它可以保證項目功能的開發(fā)以外，還能節(jié)約建模的時間。

例如，很多時候控制器模型中的ADC采樣會被忽略，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，往往也會采用簡化的電機模型。

這種簡化不會影響算法實現(xiàn)、軟件框架或執(zhí)行器的功能設計。