α-β滤波基于SCADE Suite的开发

马文希 张巧

摘 要：SCADE Suite主要用于嵌入式控制软件的设计、验证和代码生成。本文利用完成了α-β滤波的代码开发，与传统的代码编写相比较缩短了开发周期，可视化更强，调试验证方便快捷，图形化的方法便于开发人员快速学习运用。

关键词：代码生成;α-β滤波;嵌入式控制软件;图形化开发;实时仿真

1SCADE软件试用

1.1 SCADE简介

SCADE 是一种图形化、模块化，基于自顶向下的控制流和数据流设计的软件开发工具。SCADE结合Lustre和Esterel两种语言进行设计，属于强类型语言，能够提供数据流运算符、控制结构体和层次化状态机，其语义规范，无歧义，支持循环式的程序执行方式。SCADE Suite基于形式化语言和严谨的数学理论，为研制人员设计出高安全性的系统和软件提供了充分的支持。提供了友好直观的基于模型的集成开发环境。SCADE使用同步语言，创建无歧义并且自动实现、规范方面有着强大的优势，SCADE的图形描述首先转换成LUSTRE语言，再通过LUSTRE转化成C语言或ADA语言。其中LUSTRE语言可以看成是SCADE的核心。

LUSTRE是一种基于数据流的同步程序设计语言，LUSTRE应用于反应系统。它是确定性的，是基于时间的同步模型。它的同步模型使它适合在程序中处理时间、并被编译成高效的程序。整个系统看作实时交互的节点集，实则构成了一种时间演算系统，可以刻画出系统的动态行为，该技术在许多安全关键系统中已经得到了成功的应用。能有效地控制和使用系统资源、确定任务的时限、描述系统的行为。LUSTRE的时间模型可以为程序员精确提供精确的时间控制;并发性则为指定控制系统提供了便利;完整的确定性;有限状态机语言;容易分析、执行时间可预测、更容易验证、服从软件的实现。

1.2 α-β滤波跟踪模型设计

当机动目标模型建立之后，就要对目标进行跟踪，主要是对目标的距离信息、方位角信息、俯仰角信息以及距離变化率信息、方位角变化率信息、俯仰角变化率信息进行跟踪，预测目标的运动参数。滤波就是从混合在一起的诸多信号中提取出所需要的信号。α-β滤波是一种简单并且在工程上易于实现得滤波方法。以α-β滤波模型设计作为SCADE软件建模的目标。该模型功能较为独立，适合作为单一软件模块进行设计。

2 传统工具软件设计过程

2.1 需求分析

2.1.1 跟踪模型处理过程

根据工作状态，选取对应的滤波参数。根据目标坐标预测值及本周期测量结果，进行目标坐标及速度估值，估值完成后，进行下周期坐标预测。

2.1.2 滤波跟踪模型输入输出

（1）输入参数为目标上周期滤波结果、间隔时间、滤波系数组;

（2）输出参数为目标本周期滤波结果。

2.2 软件设计

目标跟踪软件中的α-β滤波跟踪模型如下。

3 SCADE工具软件设计过程

3.1常量设计

根据需求分析，进行对应的常量设计，其中包含滤波系数等常量参数。包括目标当前拍的距离信息、方位角信息、俯仰角信息。

3.2 数据类型设计

根据需求分析，进行对应的数据类型设计，其中主要包含滤波系数结构体、、滤波系数数组等。包括目标的距离信息、方位角信息、俯仰角信息以及距离变化率信息、方位角变化率信息、俯仰角变化率信息。

3.3 Operator设计

根据实际需要定义相应的类型，确保在PC机进行模型测试与目标机的数据类型相符。整形根据实际需要选择8位，16位，32位或64位。浮点型根据需要选择32位（单精度）或64位（双精度）。将常用的模块集成到库，以便重用;建议设计清晰表达所实现的功能，如：一节点包含计数功能，调用库节点“counter”，而不是直接在当前节点中构建计数器;即使某些子功能不会重用，但只要它很复杂难以理解，就应该构建实现子功能的操作符。当操作符的内容无法在一个图形页设计完毕时，建议将操作符内容分到多个图形页（diagram）中去设计;而当实现图形页的一部分过于复杂或者图形页数量过大时，建议考虑将实现内容封装到新操作符中。对齐方式中输入采用左对齐，输出采用右对齐。变量与变量对齐，常量与常量对齐，运算符与运算符对齐。相同操作符可以按照不同情况设置为等宽，或等高，或大小相同。

根据软件流程图，将滤波跟踪模型划分为3个Operator：FiltersSelectByT（根据目标跟踪周期选择滤波系数组）、FiltersSelectByREB（根据距离角度标志选择滤波系数）、FilterProcess（滤波跟踪处理）、Opt_Main（顶层控制）。

Operator设计如图所示：

3.4 工程构建及仿真测试

软件建模完成后，选择Opt_Main模块进行Check，Check通过后，选择Simulation模式进行编译，编译完成后，点击运行。在运行前，可将输入输出接口添加至watch窗口中，并初始化各输入接口数据。初始化完成后，选择仿真运行时间开始仿真。在仿真过程中，可随时观测模块各级输入输出接口数据变化情况。计算结果与输入的上周期坐标预测值基本一致，符合目标滤波跟踪模型的要求。

4 总结

运用SCADE工具对数据计算类的软件进行设计开发，进行数据仿真比较灵活，可以动态的观测仿真数据。继而得出结论，SCADE Suite的优势主要体现在：软件的模块划分比较清晰，开发周期较短，而且生成的文档快速完整，通过图形化的方法进行系统建模，并且可以进行动态仿真，为开发者提供了极大的便利，SCADE Suite在以后的运用中会得到极大的推广。

参考文献：

[1]张合军.基于SCADE的无人机飞行控制系统软件设计[M].南京航空航天大学，2007.

[2]李绅.基于Scade Suite的数字滤波器设计[M].中国电子科机集团公司第二十研究所.