CN111367511B - 一种仿真模型接口适配开发系统及其工作方法 - Google Patents

一种仿真模型接口适配开发系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种仿真模型接口适配开发系统及其工作方法，该工作方法包括如下步骤：创建模型定义文件内容或编辑已有的模型定义文件内容，生成模型用户代码文件；其中，模型用户代码文件包括用户模型定义文件和用户模型实现文件；生成模型用户代码文件后，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系；根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件。本申请具有简捷和统一的函数接口，一次编码同时支持FMU及S‑Function模型的转换生成，提高了模型的生成效率和用户使用的便利性。

Description

一种仿真模型接口适配开发系统及其工作方法
技术领域
本申请涉及系统建模仿真技术领域，尤其涉及一种仿真模型接口适配开发系统及其工作方法。
背景技术
仿真是指用计算机对物理过程进行模拟的方法。通过计算机仿真的手段，能够对被设计产品的数学模型进行模拟研究，估计预期的动态性能，实现基于模型的设计。
现有技术中，在对航空、航天器，汽车等复杂的被模拟对象进行数学建模时，其往往包含力学、热学、电学、自动控制和软件等不同领域的设计特征，是一个多学科交叉系统；不同仿真软件所针对的物理领域往往不同，单一软件难以方便地实现多学科交叉系统的建模。
目前，模型标准接口主要有两种，一种为S-Function；另一种为FMI(FunctionalMock-up Interface)。S-Function为Simulink的模型开发接口，应用较为广泛；对于集成已有的C/C++代码，具有Legacy Code Tool,LCT(代码导入工具)以及S-Function Builder(图形化的向导工具)；但由于Simulink是商业工具，其他工具仅支持S-Function模型的导出，S-Function模型的导入和求解仅能在Simulink中进行。
目前，符合FMI接口标准的模型为Functional Mock-up Unit,FMU，其模型端(model slave)与求解端(solver master)的实现都有开源软件实现范例，因而越来越多的工具支持FMU模型的导入、导出以及系统集成仿真。但是，FMI标准的技术细节多，相关工具链自动化程度低，对于技术人员的编程水平要求较高；对于集成已有的C/C++代码，需要熟悉C代码模板的运行流程，定义一维展开的接口变量，完成与已有模型接口数据结构的相互转换，编制FMU描述文件(modelDescription.xml)，编译各运行平台下的动态链接库，FMU目录结构的创建，FMU的打包及测试等等工作。一般用户难以实现复杂的功能，使用的便利性不足。
发明内容
本申请的目的在于提供一种仿真模型接口适配开发系统及其工作方法，其解决了现有技术中单一软件难以方便地实现多学科交叉系统的建模的问题，其能够完成已有模型接口数据结构与FMI模型标准接口中一维展开的接口变量间的相互转换，生成模型描述文件，本申请具有简捷和统一的函数接口，能够一次编码同时支持FMI模型接口标准及S-Function模型接口标准。
为达到上述目的，一种仿真模型接口适配开发系统的工作方法，该方法包括如下步骤：
创建模型定义文件内容或编辑已有的模型定义文件内容，生成模型用户代码文件；其中，模型用户代码文件包括用户模型定义文件和用户模型实现文件；
生成模型用户代码文件后，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系；
根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件。
如上的，其中，一种仿真模型接口适配开发系统的工作方法还包括：
生产模型用户代码文件后，生成模型标准接口构建脚本，并执行模型标准接口构建脚本；
执行模型标准接口构建脚本后，根据接口代码文件及模型描述文件生成模型文件。
如上的，其中，生成模型用户代码文件后，调用编译构建工具；
编译构建工具调用接口解析及代码生成工具；
接口解析及代码生成工具根据用户模型定义文件中的接口数据定义，查询公用数据结构定义文件中的已有的模型接口数据结构，递归地解析用户模型定义文件中的接口数据定义，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需一维展开的接口变量间的映射关系。
如上的，其中，根据所述映射关系填写FMI接口代码模板和FMI描述文件模板，生成FMI接口代码文件和FMU描述文件。
如上的，其中，根据所述映射关系生成LCT接口代码文件和LCT模型定义文件。
本申请还提供一种仿真模型接口适配开发系统，该系统包括：向导式图形界面和接口解析及代码生成工具，所述向导式图形界面包括模型用户代码生成模块，所述模型用户代码生成模块用于生成模型用户代码文件；
所述接口解析及代码生成工具，用于建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系；还用于根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件。
如上的，其中，所述向导式图形界面还包括构建脚本生成模块，用于生成模型标准接口构建脚本。
如上的，其中，向导式图形界面还用于在生成模型用户代码文件后调用编译构建工具。
如上的，其中，接口解析及代码生成工具包括：
FMI接口代码文件生成模块，用于生成FMI接口代码文件。
FMU描述文件生成模块，用于生成FMU描述文件。
如上的，其中，接口解析及代码生成工具还包括：
LCT接口代码文件生成模块，用于生成LCT接口代码文件；
LCT模型定义文件生成模块，用于生成LCT模型定义文件。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请通过对FMI模型标准接口及S-Function模型标准接口的运行流程进行提炼和抽象，在FMI接口代码模板基础上进行扩展，形成通用的中间层，通过该通用的中间层进行一次编码可以同时支持FMI及S-Function模型的自动转换。
(2)本申请开发了向导式图形界面，能够辅助用户建立中间层的接口函数模板，并且还扩展了外部资源和定时任务的统一管理接口，便于用户在生成用户模型实现文件中使用。
(3)本申请开发了接口解析及代码生成工具，能够递归地解析用户模型定义文件中的接口数据定义，建立已有模型接口数据结构与FMI模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系，通过该映射关系用户只需一次编写用户模型定义文件和用户模型实现文件，能够同时支持FMI模型接口标准和S-Function模型接口标准，通过接口解析及代码生成工具自动生成FMU模型对应的FMI接口代码文件以及FMU描述文件，同样的信息也用于自动生成S-Function模型对应的LCT接口代码文件以及LCT模型定义文件，从而提高了模型设计的方便性，提高了模型设计效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种仿真模型接口适配开发系统的工作方法流程图。
图2为本申请实施例的一种仿真模型接口适配开发系统的结构示意图。
图3为本申请实施例的一种仿真模型接口适配开发系统及其工作流程示意图。
附图标记：10-向导式图形界面；11-公用数据结构定义文件解析模块；12-用户模型定义文件解析模块；13-FMU构建脚本生成模块；14-S-Function构建脚本生成模块；15-模型用户代码模板生成模块；16-通用界面组件；20-接口解析及代码生成工具；21-用户模型定义文件解析模块；22-公用数据结构定义文件解析模块；23-FMI接口代码文件生成模块；24-FMU描述文件生成模块；25-LCT接口代码文件生成模块；26-LCT模型定义文件生成模块；100-仿真模型接口适配开发系统。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
如图1和图3所示，本申请提供了一种仿真模型接口适配开发系统的工作方法，该工作方法包括如下步骤：
步骤S1，创建模型定义文件内容或编辑已有的模型定义文件内容，生成模型用户代码文件，其中，模型用户代码文件包括：用户模型定义文件和用户模型实现文件。
步骤S1包括如下子步骤：
步骤S110，生成用户模型定义文件。
生成用户模型定义文件包括如下子步骤：
步骤S111，对模型信息进行定义。其中，模型信息包括模型名称、作者、备注、及端口后缀等。
步骤S112，对外部资源进行定义，自动拓展外部资源引用接口。其中，外部资源包括路径，文件名，后缀名等。
根据外部资源的定义，可以自动拓展出外部资源引用的接口，便于用户在用户模型实现文件中的模型代码中引用。
步骤S113，对定时任务进行定义，自动拓展定时任务接口。其中，定时任务包括任务周期，起始时间偏移等。
根据定时任务的定义，可以自动拓展出定时任务处理的接口，便于用户在用户模型实现文件中的模型代码中引用。
步骤S114，对接口数据进行定义。其中，接口数据包括输入、输出及参数的数据类型和变量名称。
根据本发明的一个具体实施例，用户直接编辑录入接口数据。
根据本发明的另一个具体实施例，加载公用数据结构定义文件，解析公用数据结构定义文件中的C语言结构体定义，并形成可供用户选择的数据结构列表，用户可以拖拽列表中的项目，将其添加至模型的接口数据定义区域内。
步骤S120，根据用户模型定义文件生成用户模型实现文件。
用户模型实现文件给出了模型受仿真程序调用运行时的接口函数模板。具体的，用户模型实现文件包括对应于FMI标准接口中的实例化代码(在模型加载时执行)，初始化代码(在模型处于复位状态时执行)，步进代码(每次仿真时间推进时执行)，重置代码(将模型切换至复位状态时执行)，以及终止代码(在模型退出时执行)。
步骤S130，调用代码编辑工具，通过代码编辑工具填写用户模型实现文件中的接口函数模板，生成模型用户代码文件。
具体的，用户可以操作向导式图形界面，设置关联代码编辑工具，通过向导式界面中可调用代码编辑工具，填写用户模型实现文件中的接口函数模板，即可完成模型用户代码文件的生成。
步骤S2，生成模型用户代码文件后，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系。
具体的，向导式图形界面调用编译构建工具，编译构建工具调用接口解析及代码生成工具，接口解析及代码生成工具根据用户模型定义文件中的接口数据定义，查询公用数据结构定义文件中的已有的模型接口数据结构，递归地解析用户模型定义文件中的接口数据定义，建立已有模型接口数据结构与FMI中所需的一维展开的接口变量间的映射关系，通过该映射关系用户只需一次编写用户模型定义文件和用户模型实现文件，能够同时支持FMI模型接口标准和S-Function模型接口标准。
步骤S3，根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件。
具体的，接口解析及代码生成工具根据已有模型接口数据结构与FMI模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系自动填写FMI接口代码模板和FMI描述文件模板，生成FMU模型对应的FMI接口代码文件和FMU描述文件。
接口解析及代码生成工具根据已有模型接口数据结构与FMI模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系自动生成S-Function模型对应的LCT接口代码文件和LCT模型定义文件。
步骤S4，生成模型用户代码文件后，生成模型标准接口构建脚本，并执行模型标准接口构建脚本，其中标准接口构建脚本包括：FMU构建脚本和S-Function构建脚本。
FMU构建脚本典型的例如：Makefile或CMakeLists.txt。
S-Function构建脚本为MATLAB语言。
FMU构建脚本以及S-Function构建脚本均支持多个模型的批处理操作。
根据本发明的一个具体实施例，用户在生成模型标准接口构建脚本前，提示用户选择当前需要操作的模型。
步骤S5，调用编译构建工具，完成模型构建过程。
执行模型标准接口构建脚本后，根据接口代码文件及模型描述文件生成模型文件。
根据本发明的一个具体实施例，执行FMU构建脚本，调用编译构建工具，编译构造工具调用系统管理工具，系统管理工具生成FMU模型文件。
步骤S5包括如下子步骤：
步骤S510，生成FMU模型目录结构。
具体的，编译构建工具调用系统管理工具，创建或清理出FMU模型目录结构。
步骤S520，生成FMU动态链接库。
具体的，编译构建工具调用C/C++编译环境，完成FMU模型对应的FMI接口代码文件、FMI标准通用文件(包含适应多种系统环境的代码，不需要用户修改)与用户模型实现文件的编译与链接，生成FMU动态链接库(在不同系统环境下生成对应版本的文件，如.dll/.so/dynlib等，支持多文件共存)，并将可能的调试信息提示给用户。
步骤S530，生成新的FMU模型目录结构。
具体的，将FMU动态链接库、FMU描述文件、FMU资源文件、以及FMU源代码文件汇集到FMU模型目录结构中，生成新的FMU模型目录结构。
步骤S540，根据新的FMU模型目录结构生成FMU模型文件。
具体的，系统管理工具读取新的FMU模型目录结构中的数据，对读取的数据进行打包压缩，生成FMU模型文件。
步骤S550，仿真生成的FMU模型文件。
具体的，编译构建工具调用FMI测试工具，仿真生成的FMU模型文件，并打印出测试运行结果。
根据本发明的另一个具体实施例，执行生成的S-Function构建脚本，生成S-Function模型文件。
具体的，启动现有的MATLAB软件(需要带有LCT模块并配置了C/C++编译环境)，执行生成的S-Function构建脚本，根据已生成的LCT接口代码文件以及LCT模型定义文件，创建S-Function动态链接库、总线定义文件、Simulink模块以及TLC(Target Link Compiler)脚本文件。
具体的，创建S-Function动态链接库的方法为：调用C/C++编译环境，完成S-Function模型对应的LCT接口代码文件和LCT模型定义文件与用户模型实现文件的编译与链接，生成S-Function动态链接库。
实施例二
如图2所示，本申请还提供了一种仿真模型接口适配开发系统100，包括：向导式图形界面10和接口解析及代码生成工具20；
向导式图形界面10用于生成模型用户代码文件，向导式图形界面10用于调用代码编辑工具，通过代码编辑工具编辑用户模型实现文件中的代码。向导式图形界面10用于在生成模型用户代码文件后调用编译构建工具。向导式图形界面10还用于加载公用数据结构定义文件。
向导式图形界面10包括：公用数据结构定义文件解析模块11、用户模型定义文件解析模块12、构建脚本生成模块、模型用户代码模板生成模块15以及通用界面组件16。
模型用户代码模板生成模块15，用于生成模型用户代码文件。
公用数据结构定义文件解析模块11，用于提供用户可选择的数据类型。
用户模型定义文件解析模块12，用于重新编辑用户已经配置过的模型。
构建脚本生成模块，用于生成模型标准接口构建脚本。
构建脚本生成模块包括FMU构建脚本生成模块13，用于生成FMU构建脚本；以及S-Function构建脚本生成模块14，用于生成S-Function构建脚本。
通用界面组件16包括：可交互表格控件，多语言界面样式及布局模块，操作信号传递与处理模块，系统配置持久化模块，外部进程调用及监测模块，模型目录状态监测模块。
接口解析及代码生成工具20用于建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系；还用于根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件。
接口解析及代码生成工具20包括：用户模型定义文件解析模块21、公用数据结构定义文件解析模块22、FMI接口代码文件生成模块23、FMU描述文件生成模块24、LCT接口代码文件生成模块25、以及LCT模型定义文件生成模块26。
用户模型定义文件解析模块21，用于解析用户模型定义文件。
公用数据结构定义文件解析模块22，用于解析公用数据结构定义文件。
FMI接口代码文件生成模块23，用于生成FMI接口代码文件。
FMU描述文件生成模块24，用于生成FMU描述文件。
LCT接口代码文件生成模块25，用于生成LCT接口代码文件。
LCT模型定义文件生成模块26，用于生成LCT模型定义文件。
根据本发明的具体实施例，一种仿真模型接口适配开发系统100，在使用CMake构建系统时，可自动适配大多数编译器。
根据本发明的具体实施例，一种仿真模型接口适配开发系统100，在使用Qt图形界面时，可运行于大部分操作系统的桌面环境。
根据本发明的具体实施例，一种仿真模型接口适配开发系统100，可生成平台相关的代码，兼容Windows及Linux。
根据本发明的具体实施例，通过仿真模型接口适配开发系统100生成的模型可运行在基于Linux的半实物仿真(Hardware inthe Loop,HiL)系统。
上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请通过对FMI模型标准接口及S-Function模型标准接口的运行流程进行提炼和抽象，在FMI接口代码模板基础上进行扩展，形成通用的中间层，通过该通用的中间层进行一次编码可以同时支持FMI及S-Function模型的自动转换。
(2)本申请开发了向导式图形界面，能够辅助用户建立中间层的接口函数模板，并且还扩展了外部资源和定时任务的统一管理接口，便于用户在生成用户模型实现文件中使用。
(3)本申请开发了接口解析及代码生成工具，能够递归地解析用户模型定义文件中的接口数据定义，建立已有模型接口数据结构与FMI模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系，通过该映射关系用户只需一次编写用户模型定义文件和用户模型实现文件，能够同时支持FMI模型接口标准和S-Function模型接口标准，通过接口解析及代码生成工具自动生成FMU模型对应的FMI接口代码文件以及FMU描述文件，同样的信息也用于自动生成S-Function模型对应的LCT接口代码文件以及LCT模型定义文件，从而提高了模型设计的方便性，提高了模型设计效率。

Claims (8)

1.一种仿真模型接口适配开发系统的工作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
创建模型定义文件内容或编辑已有的模型定义文件内容，生成模型用户代码文件；其中，模型用户代码文件包括用户模型定义文件和用户模型实现文件；
生成模型用户代码文件后，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系；
根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件;
其中，生成模型用户代码文件的方法包括如下步骤：
生成用户模型定义文件；
根据用户模型定义文件生成用户模型实现文件；
调用代码编辑工具，通过代码编辑工具填写用户模型实现文件中的接口函数模板，生成模型用户代码文件；
其中，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系的方法包括如下步骤：
生成模型用户代码文件后，调用编译构建工具；
编译构建工具调用接口解析及代码生成工具；
接口解析及代码生成工具根据用户模型定义文件中的接口数据定义，查询公用数据结构定义文件中的已有的模型接口数据结构，递归地解析用户模型定义文件中的接口数据定义，建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需一维展开的接口变量间的映射关系；
其中，根据所述映射关系填写FMI接口代码模板和FMI描述文件模板，生成FMI接口代码文件和FMU描述文件；根据所述映射关系生成LCT接口代码文件和LCT模型定义文件;
该方法还包括：生成模型用户代码文件后，生成模型标准接口构建脚本，并执行模型标准接口构建脚本；
执行模型标准接口构建脚本后，根据接口代码文件及模型描述文件生成模型文件；
生成用户模型定义文件的方法包括如下步骤：
对模型信息进行定义；
对外部资源进行定义；
对定时任务进行定义，自动拓展定时任务接口；
对接口数据进行定义。
2.根据权利要求1所述的仿真模型接口适配开发系统的工作方法，其特征在于，用户模型实现文件包括对应于FMI标准接口中的实例化代码、初始化代码、重置代码以及终止代码。
3.根据权利要求1所述的仿真模型接口适配开发系统的工作方法，其特征在于，通过导式图形界面调用编译构建工具。
4.一种仿真模型接口适配开发系统，其特征在于，执行权利要求1-3之一所述方法，该系统包括：向导式图形界面和接口解析及代码生成工具，所述向导式图形界面包括模型用户代码生成模块，所述模型用户代码生成模块用于生成模型用户代码文件；
所述接口解析及代码生成工具，用于建立已有模型接口数据结构与模型标准接口中所需的一维展开的接口变量间的映射关系；还用于根据所述映射关系生成多种模型对应的接口代码文件以及模型描述文件。
5.根据权利要求4所述的仿真模型接口适配开发系统，其特征在于，所述向导式图形界面还包括构建脚本生成模块，用于生成模型标准接口构建脚本。
6.根据权利要求4所述的仿真模型接口适配开发系统，其特征在于，向导式图形界面还用于在生成模型用户代码文件后调用编译构建工具。
7.根据权利要求4所述的仿真模型接口适配开发系统，其特征在于，接口解析及代码生成工具包括：
FMI接口代码文件生成模块，用于生成FMI接口代码文件；
FMU描述文件生成模块，用于生成FMU描述文件。
8.根据权利要求7所述的仿真模型接口适配开发系统，其特征在于，接口解析及代码生成工具还包括：
LCT接口代码文件生成模块，用于生成LCT接口代码文件；
LCT模型定义文件生成模块，用于生成LCT模型定义文件。
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