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方法，其開發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 項目的開發對象或目標產品進行精確建模 ，項目的需求分析、功能設計、系統框架設計、代碼生成、產品測試驗證等開發環節，甚至項目流程管理、項目迭代開發管理、自動化文檔管理等管理環節， 部分或全部在所建模型的基礎上展開的一種開發方式 。

在MBD開發中，模型是最終產品的高度數字化具現，而最終產品的主要組件或功能都基于搭建的模型進行設計和開發。

基于模型的設計

作為對比，傳統的開發方法是線性展開的。由于傳統的開發中沒有對開發對象進行建模，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工作已經驗收完成。這種情況下，前期的設計缺陷如果沒能及時發現，到了項目后期，其修復成本就會非常高。

傳統線性開發

此外，傳統的開發方法由于沒有中心模型，非常依賴前期的頂層設計和系統框架設計，這是抽象、不具體的任務，需要依賴以往的經驗。

而MBD的具象化可不僅僅體現在產品形態上，產品的代碼、產品的測試都是可以直接由模型生成和實現的，方便實現產品功能迭代。模型的具象化和可視化能大大提高開發者的效率。

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、控制執行、通訊等組成要素。例如無人機、電機控制、電池管理系統、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。

MBD支持的嵌入式軟件開發，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，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——便是對控制器和執行器進行的建模，有時候還包括執行器的運行環境，所建的模型可以稱為 控制器模型 、 執行器模型 （被控對象模型）和 環境模型 。

控制器、執行器和運行環境之間，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、執行器和運行環境的界限

首先要弄清楚控制器和執行器的界限在哪里。

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以外的所有數字電路、功率電路、機械結構、電機等都應屬于執行器模型。建模時可按照這個界限對控制器和執行器分別建模。

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

控制器模型和執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：

控制器模型和執行器模型

控制器模型和執行器模型是相輔相成的，如果執行器增加、減少或改變了功能，控制器也會發生相應的改變。

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

環境模型即執行器運行時所在的環境，是開發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，環境會影響控制器和執行器的設計，這時候就需要考慮搭建環境模型。

例如無人機，它的執行器包括電機、螺旋槳等，但環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以外，還能節約建模的時間。

例如，很多時候控制器模型中的ADC采樣會被忽略，直接使用執行器模型返回的數據；在執行器模型中，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、軟件框架或執行器的功能設計。