Xây Dựng Hệ Thống Sinh Mô Hình Tự Động Bằng MATLAB/Simulink

Hệ thống sinh mô hình tự động bằng MATLAB/Simulink đang trở thành một công cụ quan trọng trong… 58 trang · Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông · 2022.

• Tác giả: Lê Thị Ngân
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thị Bích Ngọc
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Thống Sinh Mô Hình Tự Động Bằng MATLAB/Simulink
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu hệ thống nhúng và thiết kế mô hình hệ thống nhúng bằng MATLAB/Simulink
• 1.2. Giới thiệu MATLAB/Simulink
• 1.3. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống nhúng bằng MATLAB/Simulink
• 1.4. Bài toán sinh mô hình MATLAB/Simulink tự động phục vụ cho kiểm thử
• 1.5. Giới thiệu kỹ thuật pairwise testing
• 1.6. Giới thiệu kỹ thuật kiểm thử hộp đen
• 1.7. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP SINH TỰ ĐỘNG MÔ HÌNH MATLAB/SIMULINK
• 2.1. Sinh tự động mô hình MATLAB/Simulink bằng phương pháp tổ hợp
• 2.2. Các bước sinh ca kiểm thử sử dụng kỹ thuật pairwise testing bằng PICT
• 2.3. Tổng kết chương
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ THỬ NGHIỆM
• 3.1. Xây dựng hệ thống
• 3.2. Thử nghiệm hệ thống
• 3.3. Tổng kết chương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về xây dựng hệ thống sinh mô hình MATLAB Simulink

Hệ thống sinh mô hình tự động bằng MATLAB/Simulink đang trở thành một công cụ quan trọng trong việc thiết kế và kiểm thử hệ thống nhúng. Việc sử dụng MATLAB/Simulink giúp giảm thiểu thời gian và công sức trong quá trình phát triển mô hình. Hệ thống này cho phép mô phỏng và phân tích các hệ thống phức tạp một cách hiệu quả.

1.1. Giới thiệu về MATLAB Simulink và ứng dụng

MATLAB/Simulink là một phần mềm mạnh mẽ cho việc mô hình hóa và mô phỏng hệ thống. Nó cung cấp giao diện đồ họa dễ sử dụng, cho phép người dùng xây dựng mô hình một cách trực quan và hiệu quả.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng hệ thống sinh mô hình tự động

Việc áp dụng hệ thống sinh mô hình tự động giúp tiết kiệm thời gian, giảm thiểu sai sót và tăng cường độ chính xác trong quá trình kiểm thử. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống nhúng yêu cầu độ tin cậy cao.

II. Thách thức trong việc xây dựng hệ thống sinh mô hình tự động

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc xây dựng hệ thống sinh mô hình tự động cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ phức tạp của mô hình, yêu cầu về tính chính xác và thời gian thực là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ phức tạp trong mô hình hóa hệ thống

Hệ thống nhúng thường có cấu trúc phức tạp, yêu cầu nhiều tham số và điều kiện khác nhau. Việc mô hình hóa chính xác các yếu tố này là một thách thức lớn.

2.2. Yêu cầu về tính chính xác và độ tin cậy

Độ chính xác trong mô hình hóa và kiểm thử là rất quan trọng. Một sai sót nhỏ có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng trong các ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp xây dựng hệ thống sinh mô hình tự động

Để xây dựng hệ thống sinh mô hình tự động, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng kỹ thuật pairwise testing và công cụ PICT là những giải pháp hiệu quả.

3.1. Kỹ thuật pairwise testing trong kiểm thử

Kỹ thuật pairwise testing giúp kiểm tra tất cả các sự kết hợp có thể của các tham số đầu vào, từ đó đảm bảo rằng mọi tình huống đều được kiểm thử.

3.2. Công cụ PICT và ứng dụng của nó

PICT là một công cụ mạnh mẽ hỗ trợ việc sinh mô hình tự động. Nó giúp tạo ra các ca kiểm thử một cách nhanh chóng và hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống sinh mô hình MATLAB Simulink

Hệ thống sinh mô hình MATLAB/Simulink đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến nghiên cứu khoa học. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, hệ thống này được sử dụng để thiết kế và kiểm thử các hệ thống điều khiển tự động, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển

Trong nghiên cứu, việc sử dụng MATLAB/Simulink giúp các nhà khoa học mô phỏng các hiện tượng phức tạp, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho các vấn đề thực tiễn.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống sinh mô hình tự động

Hệ thống sinh mô hình tự động bằng MATLAB/Simulink đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực thiết kế và kiểm thử hệ thống nhúng. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ sinh mô hình tự động sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều tính năng mới được tích hợp, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong kiểm thử.

5.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường và đảm bảo an toàn cho các hệ thống nhúng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của công nghệ hiện đại, các hệ thống nhúng (embedded systems) đóng vai trò trung tâm trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc trưng nổi bật của hệ thống nhúng là tính tích hợp chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm, yêu cầu độ ổn định, tính toàn vẹn và mức độ an toàn nghiêm ngặt. Những lỗi phát sinh trong hệ thống nhúng chuyên dụng (như thiết bị điều khiển động cơ ô tô, hệ thống dẫn đường máy bay, nhà máy hóa chất hay hệ thống cáp ngầm) có thể dẫn đến nguy hiểm trực tiếp cho con người hoặc gây thiệt hại kinh tế lớn. Do đó, việc mô hình hóa và kiểm thử phần mềm hệ thống nhúng trước khi chế tạo phần cứng thực tế là quy trình bắt buộc.

Môi trường MATLAB/Simulink được sử dụng phổ biến để thiết kế và mô phỏng hệ thống động ở mức cao. Tuy nhiên, khi kiểm thử các mô hình Simulink phức tạp có không gian đầu vào lớn, việc xây dựng mô hình kiểm thử thủ công gặp phải rào cản lớn: tiêu tốn nhiều thời gian, công sức và dễ bỏ sót các trường hợp kiểm thử quan trọng. Xuất phát từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán tự động hóa việc sinh mô hình Simulink phục vụ kiểm thử.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống nhúng, mô hình hóa hệ thống nhúng bằng MATLAB/Simulink và các phương pháp kiểm thử hộp đen.
2. Nghiên cứu và xây dựng phương pháp sinh tự động mô hình MATLAB/Simulink bằng phương pháp tổ hợp toàn phần (Combinatorial Testing).
3. Nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật kiểm thử theo cặp (Pairwise Testing) thông qua công cụ PICT (Pairwise Independent Combinatorial Testing) của Microsoft nhằm tối ưu hóa số lượng ca kiểm thử.
4. Thiết kế và phát triển phần mềm có giao diện đồ họa (GUI) trên nền tảng MATLAB, tích hợp các phương pháp sinh mô hình tự động và thực hiện thử nghiệm trên mô hình cụ thể.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình thiết kế hệ thống nhúng trên MATLAB/Simulink, phương pháp kiểm thử hộp đen, kỹ thuật Pairwise Testing và công cụ PICT.
• Phạm vi nghiên cứu: Đồ án được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông (Khoa Công nghệ Thông tin 1, ngành Hệ thống Thông tin), hoàn thành vào tháng 01/2022. Phạm vi kỹ thuật tập trung vào việc biến đổi tổ hợp tham số của các khối (blocks) trong mô hình Simulink gốc dựa trên tập tin định nghĩa tham số dạng JSON, xuất ra danh sách các tệp mô hình .slx phục vụ kiểm thử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật phần mềm và công cụ kỹ thuật số:

• Mô hình hóa và mô phỏng bằng MATLAB/Simulink: Simulink hỗ trợ mô phỏng hệ thống tuyến tính, phi tuyến, liên tục và gián đoạn. Mô hình Simulink được cấu thành từ hai thành phần chính: các khối (blocks) đóng vai trò tạo, xử lý và xuất tín hiệu (Inport, Outport, Mathematical Operator, Logical/Relational Operator, Multiport Switch, Delay...) và các đường dẫn (lines) truyền dữ liệu số (Boolean, integer, floating/fixed-point).
• Kiểm thử hộp đen (Black-box Testing): Phương pháp kiểm thử không cần can thiệp mã nguồn bên trong mà dựa vào việc xác định dữ liệu đầu vào và kiểm tra tính đúng đắn của kết quả đầu ra. Các kỹ thuật hộp đen được nhắc đến gồm: Phân lớp tương đương (Equivalence Partition), Phân tích giá trị biên (Boundary Value Analysis), Bảng quyết định (Decision Table) và Kiểm thử theo cặp (Pairwise Testing).
• Kỹ thuật kiểm thử theo cặp (Pairwise Testing): Dựa trên quan sát thực nghiệm rằng phần lớn các lỗi phần mềm bắt nguồn từ sự tương tác giữa hai tham số (kỹ thuật này có thể bao phủ khoảng 70% lỗi). Pairwise Testing tạo ra bộ ca kiểm thử bao phủ tất cả các cặp giá trị rời rạc $(x_i, x_j)$ khả dĩ giữa các biến đầu vào, giúp giảm thiểu đáng kể số ca kiểm thử so với phương pháp tổ hợp toàn phần ($m \times n$).
• Công cụ PICT (Pairwise Independent Combinatorial Testing): Công cụ dòng lệnh do Microsoft phát triển dựa trên ba nguyên tắc thiết kế: tốc độ sinh ca kiểm thử cao, tính dễ sử dụng và khả năng mở rộng/tích hợp với các công cụ khác.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống: Phân tích cấu trúc cây mô hình Simulink gốc, trừu tượng hóa các tham số của các khối thành định dạng JSON chuẩn.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: So sánh kết quả sinh dữ liệu giữa phương pháp tổ hợp đầy đủ và phương pháp rút gọn bằng thuật toán Pairwise Testing.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu cấu hình tham số khối do tác giả tự xây dựng dưới định dạng JSON (parameter.json), các mô hình kiểm thử mẫu (chứa các khối Switch, Abs, Multiport Switch...) và tập tin sinh ca kiểm thử từ PICT.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc tự động hóa kết hợp giao diện tương tác người dùng trên MATLAB:

[Mô hình Simulink gốc (.slx)] + [File định nghĩa tham số (.json)]
                                   (qua PICT.exe)

Quy trình triển khai gồm hai phương pháp chính:

1. Phương pháp sinh mô hình bằng tổ hợp toàn phần

1. Đọc và giải mã dữ liệu đầu vào: Sử dụng lệnh fileread và jsondecode để phân tích tệp parameter.json nhằm trích xuất thông tin model, mode, danh sách target_blocks, combine_parameters và fixed_parameters.
2. Duyệt và gán tham số: Duyệt lặp qua từng giá trị của các tham số cho từng khối, thiết lập biến đếm counter. Với mỗi tổ hợp giá trị, hệ thống sử dụng lệnh getSimulinkHandle(path, true) để lấy tham chiếu tới khối trong mô hình gốc và gán giá trị mới bằng lệnh set_param(block_name, parameter_name, parameter_value).
3. Lưu trữ mô hình: Lưu mỗi ca kiểm thử thành một tệp mô hình Simulink độc lập bằng lệnh save_system(name_model, orderModel) và giải phóng tài nguyên với close_system(orderModel).

2. Phương pháp sinh mô hình sử dụng Pairwise Testing và PICT

1. Chuẩn bị tệp đầu vào cho PICT: Chuyển đổi thông tin từ tệp JSON sang tệp văn bản input.txt theo cú pháp chuẩn của PICT: <ParamName>: <Value1>, <Value2>, ... bằng các hàm fopen, fprintf, fclose.
2. Thực thi PICT: Gọi công cụ dòng lệnh từ MATLAB thông qua hàm hệ thống dos('pict.txt') hoặc dos('pict input.txt > output.txt') để sinh tệp output.txt chứa ma trận các cặp tham số đã tối ưu.
3. Xử lý trung gian: Đọc tệp output.txt bằng textscan, chuyển cấu trúc mảng sang cell qua num2cell và ghi tạm ra định dạng Excel bằng xlswrite.
4. Sinh mô hình hàng loạt: Sử dụng xlsread đọc ma trận ca kiểm thử vào mảng hai chiều. Lặp qua từng hàng của mảng (mỗi hàng tương ứng với một ca kiểm thử Pairwise), truy xuất khối bằng getSimulinkHandle, cập nhật thuộc tính bằng set_param, sau đó gọi save_system để xuất ra các tệp .slx.

3. Thiết kế giao diện người dùng (MATLAB GUI)

Hệ thống sử dụng công cụ MATLAB GUIDE để xây dựng giao diện tương tác:

• Màn hình chính (SinhMoHinh.fig): Cho phép người dùng lựa chọn một trong hai chế độ: "Sinh mô hình áp dụng phương pháp tổ hợp" hoặc "Sinh mô hình áp dụng pairwise testing".
• Màn hình chức năng: Bao gồm các trường văn bản nhập đường dẫn (Mô hình mẫu, Thuộc tính), các nút điều khiển (Tải tệp lên, Sinh dữ liệu/Sinh mô hình, Quay lại) và bảng hiển thị (Table) danh sách các tên mô hình .slx đã được sinh thành công.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức nền tảng về hệ thống nhúng và công cụ mô hình hóa:

• Phân tích các đặc điểm của hệ thống nhúng: tính chuyên dụng, ràng buộc thời gian thực, tài nguyên phần cứng giới hạn (firmware lưu trên ROM/Flash), các yêu cầu cao về độ tin cậy và giải pháp an toàn (như cơ chế watchdog timer, hệ thống dự phòng backup).
• Giới thiệu phần mềm MATLAB và công cụ mở rộng Simulink; phân tích cách biểu diễn hệ thống thông qua các khối chức năng và đường truyền tín hiệu.
• Đặt bài toán sinh tự động mô hình Simulink từ mô hình gốc và tệp định nghĩa tham số nhằm thay thế quy trình tạo ca kiểm thử thủ công.
• Trình bày lý thuyết kiểm thử hộp đen, định nghĩa kỹ thuật Pairwise Testing, phân tích ưu điểm (xét hết các cặp giá trị, tiết kiệm chi phí) và nhược điểm (độ bao phủ lỗi khoảng 70%, khó áp dụng khi thiếu ràng buộc rõ ràng).
• Giới thiệu công cụ PICT của Microsoft, hướng dẫn cài đặt và cú pháp chạy trên giao diện dòng lệnh Windows CMD.

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP SINH TỰ ĐỘNG MÔ HÌNH MATLAB/SIMULINK

Chương 2 tập trung vào giải thuật và các bước hiện thực hóa hai phương pháp sinh mô hình:

• Phương pháp tổ hợp: Trình bày sơ đồ quy trình 3 giai đoạn (Chuẩn bị mô hình gốc -> Phân tích mô hình gốc và tạo tệp định nghĩa tham số JSON -> Sinh dữ liệu kiểm thử). Định nghĩa cấu trúc tệp JSON chứa các trường: model, mode, target_blocks, fullpath, combine_parameters (name, values) và fixed_parameters. Liệt kê chi tiết các hàm MATLAB API thao tác với Simulink (fileread, jsondecode, getSimulinkHandle, set_param, fprintf, save_system, close_system).
• Phương pháp Pairwise Testing qua PICT: Mô tả chi tiết cấu trúc tệp input.txt, cách gọi dos('pict.txt') từ MATLAB, cấu trúc dữ liệu trả về trong output.txt. Trình bày quy trình 2 bước chuyển đổi: từ output.txt sang output.xlsx (dùng textscan, num2cell, xlswrite) và từ Excel vào mảng hai chiều MATLAB (dùng xlsread) để cập nhật tham số hàng loạt vào các khối Simulink.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ THỬ NGHIỆM

Chương 3 mô tả quá trình lập trình hệ thống và thực nghiệm:

• Hướng dẫn cài đặt và sử dụng các công cụ: MATLAB (phiên bản R2017b), Simulink Library Browser, công cụ thiết kế giao diện MATLAB GUIDE (với các thành phần Uicontrols, Callback functions, tệp .m và .fig).
• Trình bày kiến trúc giao diện người dùng của hệ thống sinh mô hình, mô tả chi tiết luồng tương tác trên giao diện chính và các giao diện chức năng con.
• Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống với mô hình mẫu chứa các khối logic/chuyển mạch (như Switch_Abs, Switch, Switch1), thực hiện tải tệp parameter.json, kích hoạt tiến trình sinh tự động và kiểm tra kết quả xuất ra các tệp mô hình Simulink hoàn chỉnh trên ổ đĩa.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và thực nghiệm cụ thể:

• Xây dựng thành công ứng dụng tự động hóa trên nền tảng MATLAB GUI, tích hợp hoàn chỉnh hai cơ chế sinh mô hình: phương pháp tổ hợp toàn phần và phương pháp tối ưu hóa bằng Pairwise Testing thông qua PICT.
• Tự động hóa quy trình đọc cấu hình JSON, ánh xạ đường dẫn khối trong Simulink, gán giá trị tham số và lưu tệp mô hình .slx mà không cần người dùng phải thao tác thủ công trên giao diện Simulink.
• Đưa ra ví dụ thực nghiệm đối sánh rõ nét về hiệu quả cắt giảm số lượng ca kiểm thử giữa hai phương pháp:

Tham số đầu vào	Các giá trị tham số	Số lượng giá trị ($n_i$)
Loại đặt hàng	Mua, Bán, Bảo hành	3
Địa điểm	Hà Nội, Đà Nẵng, TP. Hồ Chí Minh	3
Loại xe	Wave, Vision, Air Blade, Exciter	4
Số đăng ký xe	Hợp lệ, Không hợp lệ	2

Số lượng ca kiểm thử sinh ra theo hai phương pháp:

• Phương pháp tổ hợp toàn phần: $3 \times 3 \times 4 \times 2 = 72$ ca kiểm thử.
• Phương pháp kiểm thử theo cặp (Pairwise Testing): Tối ưu còn 12 ca kiểm thử.

Chi tiết 12 ca kiểm thử thu được từ kỹ thuật Pairwise Testing trong văn bản:

STT	Loại đặt hàng	Địa điểm	Loại xe	Số đăng ký xe
1	Mua	Hà Nội	Wave	Hợp lệ
2	Bán	Đà Nẵng	Wave	Không hợp lệ
3	Bảo hành	TP. Hồ Chí Minh	Wave	Không hợp lệ
4	Bán	Hà Nội	Vision	Hợp lệ
5	Bảo hành	Đà Nẵng	Vision	Hợp lệ
6	Mua	TP. Hồ Chí Minh	Vision	Không hợp lệ
7	Bảo hành	Hà Nội	Air Blade	Không hợp lệ
8	Mua	Đà Nẵng	Air Blade	Hợp lệ
9	Bán	TP. Hồ Chí Minh	Air Blade	Hợp lệ
10	Mua	Hà Nội	Exciter	Không hợp lệ
11	Bán	Đà Nẵng	Exciter	Không hợp lệ
12	Bảo hành	TP. Hồ Chí Minh	Exciter	Hợp lệ

Đóng góp của đồ án:

• Cung cấp giải pháp phần mềm hỗ trợ kiểm thử mô hình hệ thống nhúng, giúp giảm thiểu chi phí, thời gian và công sức xây dựng bộ dữ liệu kiểm định.
• Kết hợp thành công công cụ kiểm thử tổ hợp độc lập (Microsoft PICT) vào quy trình xử lý mô hình hóa của MATLAB/Simulink thông qua cầu nối tệp trung gian và tập lệnh tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được chỉ ra trong văn bản:

• Kỹ thuật Pairwise Testing chỉ tập trung vào việc bao phủ các tương tác 2 yếu tố, do đó chỉ đảm bảo phát hiện khoảng 70% lỗi tiềm ẩn trong hệ thống.
• Khi số lượng giá trị đầu vào của mỗi tham số tăng lên quá lớn, số lượng trường hợp kiểm thử sinh ra vẫn có xu hướng tăng nhanh.
• Kỹ thuật không áp dụng được cho các bài toán thiếu các điều kiện hoặc ràng buộc tham số rõ ràng.
• Phạm vi thử nghiệm của hệ thống mới dừng lại ở việc thay đổi giá trị thuộc tính của các khối có sẵn trong mô hình gốc, chưa can thiệp thay đổi linh hoạt cấu trúc đường nối (topology) phức tạp giữa các khối.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng thuật toán sinh ca kiểm thử lên mức kết hợp $N$-thay đổi ($N$-wise testing với $N > 2$) để nâng cao tỷ lệ bao phủ lỗi.
• Nghiên cứu tích hợp cơ chế tự động chạy mô phỏng và so sánh kết quả đầu ra của các mô hình đã sinh để đánh giá toàn diện chu trình kiểm thử.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

• Sinh viên và học viên ngành Công nghệ thông tin, Kỹ thuật phần mềm, Hệ thống thông tin: Có thể tham khảo cách thiết kế cấu trúc dữ liệu JSON để quản lý tham số phần mềm, kỹ thuật lập trình giao diện MATLAB GUIDE và cách gọi thực thi các tiến trình dòng lệnh từ môi trường MATLAB.
• Người nghiên cứu và kỹ sư phát triển hệ thống nhúng / Tự động hóa: Tham khảo phương pháp ứng dụng kiểm thử theo cặp (Pairwise Testing) và công cụ PICT để tối ưu hóa không gian kiểm thử cho các mô hình Simulink phức tạp.
• Phần đáng giá nhất để tham khảo: Cấu trúc chi tiết của tệp parameter.json (Mục 2.1) cùng các đoạn mã lệnh mẫu sử dụng API Simulink (getSimulinkHandle, set_param, save_system) và quy trình chuyển đổi dữ liệu từ PICT sang Excel để nạp vào mô hình (Mục 2.2).

Câu hỏi thường gặp

1. Tệp định nghĩa tham số đầu vào của hệ thống được tổ chức theo định dạng nào và gồm các trường dữ liệu gì? Tệp định nghĩa tham số được lưu dưới dạng JSON, gồm các trường chính: model (tên mô hình), mode (loại mô hình), target_blocks (danh sách các khối mục tiêu). Trong mỗi khối mục tiêu có fullpath (đường dẫn khối), combine_parameters (danh sách các tham số cần tổ hợp, gồm name và mảng các values) cùng fixed_parameters (các tham số giữ cố định).

2. Trong ví dụ minh họa của đồ án, kỹ thuật Pairwise Testing giúp giảm số lượng ca kiểm thử như thế nào? Với hệ thống mẫu gồm 4 tham số (Loại đặt hàng: 3 giá trị, Địa điểm: 3 giá trị, Loại xe: 4 giá trị, Số đăng ký xe: 2 giá trị), phương pháp tổ hợp toàn phần yêu cầu $3 \times 3 \times 4 \times 2 = 72$ ca kiểm thử. Áp dụng kỹ thuật Pairwise Testing, số ca kiểm thử giảm xuống còn 12 ca mà vẫn đảm bảo phủ toàn bộ các cặp giá trị giữa hai biến bất kỳ.

3. Công cụ PICT được tích hợp vào môi trường MATLAB bằng cơ chế nào? Hệ thống chuyển đổi dữ liệu từ tệp JSON sang tệp input.txt theo cú pháp của PICT, sau đó gọi thực thi tệp thực thi pict.exe thông qua lệnh hệ điều hành của MATLAB là dos('pict.txt') (hoặc dos('pict input.txt > output.txt')). Kết quả trả về dạng văn bản được xử lý bằng các lệnh textscan, num2cell, xlswrite và xlsread để đưa vào mảng hai chiều trong MATLAB.

4. Những lệnh MATLAB nào đóng vai trò cốt lõi trong việc gán tham số và lưu mô hình Simulink tự động? Các lệnh cốt lõi gồm: getSimulinkHandle(path, true) (lấy tham chiếu/handle của khối từ đường dẫn), set_param(block_name, parameter_name, parameter_value) (gán giá trị cho tham số của khối), save_system(name_model, orderModel) (lưu mô hình mới sinh vào hệ thống) và close_system(orderModel) (đóng mô hình).

5. Điểm hạn chế lớn nhất của kỹ thuật Pairwise Testing theo phân tích của tác giả là gì? Hạn chế lớn nhất là kỹ thuật này chỉ bao phủ được khoảng 70% lỗi (do chỉ xét tương tác giữa 2 tham số), số lượng ca kiểm thử vẫn tăng nhanh khi số lượng giá trị của mỗi tham số tăng cao, và không áp dụng được cho những bài toán không xác định rõ các điều kiện biên hoặc ràng buộc đầu vào.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống sinh mô hình MATLAB/Simulink tự động" của tác giả Lê Thị Ngân đã giải quyết bài toán tự động hóa tạo dữ liệu kiểm thử cho mô hình hệ thống nhúng. Bằng việc tích hợp kỹ thuật Pairwise Testing thông qua công cụ PICT của Microsoft và phát triển giao diện đồ họa trên MATLAB, hệ thống cho phép cắt giảm đáng kể số lượng ca kiểm thử so với phương pháp tổ hợp truyền thống trong khi vẫn đảm bảo độ bao phủ các cặp tham số tương tác. Đồ án cung cấp một tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về mặt phương pháp luận, cấu trúc dữ liệu và kỹ thuật lập trình điều khiển Simulink phục vụ công tác đảm bảo chất lượng phần mềm nhúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 giới thiệu chung về hệ thống nhúng, Matlab/Simulink va thiết kế mô hình hệ thống nhúng bằng Matlab/Simulink, kỹ thuật pairwise testing, công cụ PICT của Microsoft và giới thiệu khái quát bải toán sinh mô hình Matlab/Simulink tự động. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP SINH TỰ ĐỘNG MÔ HÌNH MATLAB/SIMULINK. Chương 2 trình bày phương pháp sinh mô hình MATLAB/Simulink tự động bằng phương pháp tổ hợp va áp dụng kỹ thuật pairwise testing sử dụng công cụ PICT. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HE THONG VÀ THU NGHIEM Chương 3 trình bày về các công cụ sử dụng và các bước xây dựng hệ thống sinh mô hình Matlab/Simulink tự động.

Thực hiện thử nghiệm hệ thống đã xây dựng. Lê Thị Ngan-D17HTTT1 12 DO AN TOT NGHIỆP CHUONG 1: TONG QUAN 1. Giới thiệu hệ thống nhúng và thiết kế mô hình hệ thống nhúng bằng MATLAB/Simulink 1. Giới thiệu hệ thống nhúng Hệ thống nhúng (embedded system) [3] là một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay hệ thống mẹ.

Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa điều khiến, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm của hệ thống nhúng là hoạt động 6n định và có tính năng tự động hóa cao. Hệ thống nhúng thường có một số đặc điểm chung như: e Các hệ thống nhúng được thiết kế dé thực hiện một số nhiệm vụ nhất định chứ không phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng. Một số hệ thống yêu cầu ràng buộc về tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an toàn và tính ứng dụng.

Một số hệ thống không yêu cầu ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phan cứng dé giảm thiểu chi phi sản xuất. e_ Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tap nằm trong thiết bị mà nó điều khiến. e Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware va được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là trong một ô đĩa. Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: không có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ, dung lượng bộ nhớ thấp.

Hệ thống nhúng rất da dạng, phong phú về chủng loại (đồng hồ kỹ thuật sd, máy choi nhạc MP3, đèn giao thông,. Hệ thống nhúng có thé rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn. Lê Thị Ngan-D17HTTT1 13 DO AN TOT NGHIỆP Đặc điểm của các thành phan trong hệ thống nhúng: e Giao diện: Các hệ thống nhúng có thé không có giao diện (đổi với những hệ thống đơn nhiệm) hoặc có đầy đủ giao diện giao tiếp với người dùng tương tự như các hệ điều hành trong các thiết bi dé bàn. Đối với các hệ thống đơn giản, thiết bị nhúng sử dụng nút bam, đèn LED và hién thị cỡ chữ nhỏ hoặc chỉ hiển thị số, thường đi kèm với một hệ thống menu đơn giản.

Trong một hệ thống phức tạp hơn, một man hình đồ họa, cảm ứng hoặc có các nút bam ở lề màn hình cho phép thực hiện các thao tác phức tạp mà tối thiểu hóa được khoảng không gian cần sử dụng, ý nghĩa của các nút bam có thé thay đổi theo màn hình và các lựa chọn. Một lựa chọn mới khi thiết kế hệ thống nhúng là sử dụng một giao điện web thông qua việc kết nối mạng. Điều này có thé giúp tránh được chi phí cho những màn hình phức tạp nhưng đồng thời vẫn cung cấp khả năng hiển thị và nhập liệu phức tạp thông qua một máy tính khác. Điều này hết sức hữu dụng với các thiết bị điều khién từ xa, cài đặt vĩnh viễn (router).

e Kiến trúc CPU: Các bộ xử lý trong hệ thống nhúng có thé được chia thành hai loại: vi xử lý và vi điều khiển. e Thiết bị ngoại vi: Hệ thống nhúng giao tiếp với bên ngoài thông qua các thiết bị ngoại vi (Serial Communication Interfaces (SCI), Universal Serial Bus (USB), .) e Công cụ phát triển: phan mềm hệ thống nhúng được phat triển nhờ sử dụng các trình biên dich (compilers), chương trình dịch hợp ngữ (assembler) hoặc các công cụ gỡ lỗi (debuggers). e_ Độ tin cậy: Các hệ thống nhúng thường được kỳ vọng là sẽ chạy trong thời gian dài liên tục mà không bị lỗi hoặc có thể khôi phục hệ thống khi gặp lỗi. Vì vậy các phần mềm hệ thống nhúng được phát triển và kiểm thử một cách can thận hơn phần mềm cho máy tính cá nhân.

Ngoài ra, các thiết bị rời không đáng tin cậy như 6 đĩa, công tắc hoặc nút bam thường bị hạn chế sử dụng. Việc khôi phục hệ thong khi gap lỗi có thé được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật như watchdog timer - nếu phần mềm không đều đặn nhận được các tín hiệu watchdog định kỳ thì hệ thống sẽ bị khởi động lại. Lê Thị Ngan-D17HTTT1 14 DO AN TOT NGHIỆP Một số van đề về độ tin cậy: e _ Hệ thống không thé ngừng dé sửa chữa một cách an toàn mà sẽ chuyển sang sử dụng các hệ thống con dự trữ hoặc các phần mềm cung cấp một phan chức năng (hệ thống dây cáp dưới đáy biên). e Hệ thống phải được chạy liên tục vi tính an toàn, ví dụ như các thiết bị dẫn đường máy bay, thiết bị kiểm soát độ an toàn trong các nhà máy hóa chất,.

Giải pháp đưa ra là backup hệ thống. e Nếu hệ thống ngừng hoạt động sẽ gây tổn thất rất nhiều tiền. Ví dụ như các dịch vụ bán tự động, hệ thống chuyền tiền,. Xuất phát từ những thực tiễn trên cho thấy việc mô phỏng, kiểm thử hệ thống nhúng là vô cùng quan trọng đề giảm thiểu rủi ro, sai sót trong quá trình sử dụng.

Giới thiệu MATLAB/Simulink 1. MATLAB MATLAB [2] là viết tắt từ “Matrix Laboratory” - thư viện về ma trận. MATLAB là một ngôn ngữ lập trình bậc cao, là phần mềm cung cấp môi trường tính toán kỹ thuật số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với các chương trình máy tính được viết bang nhiều ngôn ngữ lập trình khác.

Dữ liệu cùng với các thư viện có san, MATLAB cho phép: e Sử dụng các hàm có san trong thư viện, các phép tính toán học thông thường. e Lập trình tạo ra những ứng dụng mới © Mô phỏng các mô hình thực tế e Phân tích, khảo sát và hiển thị đữ liệu e Phát triển và giao tiếp với một số phần mềm khác như C, Fortran. Lê Thị Ngan-D17HTTT1 15 DO AN TOT NGHIỆP 1. Simulink Simulink [8] là một phan mềm mở rộng của MATLAB dùng đề mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động.

Thông thường dùng đề thiết kế hệ thống điều khiến, thiết kế DPS, hệ thống thông tin và các ứng dung mô phỏng khác. Simulink là thuật ngữ mô phỏng được ghép bởi Simulation và Link. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn. Dé mô hình hóa, Simulink cung cấp một giao diện đồ họa dé sử dụng và xây dựng mô hình sử dụng thao tác nhấn và kéo chuột.

Với giao diện đồ họa ta có thể xây mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn. Simulink được sử dụng phô biến như một công cụ tạo mẫu hoặc thiết kế hệ thống ở mức cao trong nhiều linh vực như hệ thông máy bay, điều khiển động cơ ô tô,. Mô hình Simulink gồm 2 yếu tố chính là khối và đường. Khối là các đơn vị chức năng được sử dụng dé tạo, điều khiển và xuất tín hiệu.

Các khối được kết nói với nhau bởi các đường, một khối có thé là một khối cha bao gồm các khối và đường khác. Các khối được lay từ thư viện khối có sẵn trong thư viện Simulink. Từ các khối kết nối với nhau băng các đường tín hiệu đề tạo thành một mô hình Simulink va dựa trên đó dé có thé mô phỏng, phân tích trước khi xây dựng một hệ thống thật. Vi vậy, Simulink đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng, phan tích thiết kế hệ thống nhúng.

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống nhúng bằng MATLAB/Simulink 1. Mô hình hóa và mô phỏng M6 hinh(model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật của hoạt động của đối tượng. Mô hình hóa (modeling) là thay thế đối tượng gốc băng một mô hình nhằm thu nhận các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiễn hành thực nghiệm trên mô hình. Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình dé hiểu biết về đối tượng gốc gọi là lý thuyết mô hình hóa.

Lê Thị Ngan-D17HTTT1 16 DO AN TOT NGHIỆP Mô phỏng (Simulation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dung mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method) dé tim các lời giải. Mô hình hóa và mô phỏng là cho phép xây dựng mô hình của hệ vật lý và thực hiện thực nghiệm trên mô hình đó. MATLAB/Simulink là công cụ hữu hiệu dé biểu diễn mô hình toán của hệ trên máy tính số và cho phép phân tích nó. Mô hình hóa và mô phỏng được sử dụng khi hệ vật lý không tồn tại, tốn thời gian hoặc chỉ phí để xây dựng.

Đồng thời cũng cho phép quan sát, phân tích hệ thống trước khi thực hiện trên hệ thong thật va là công cụ hữu dung cho việc thiết kế, nghiên cứu với chi phí thấp, dé dang thay đồi. Thiết kế mô hình hệ thống nhúng bằng MATLAB/Simulink Mô hình hệ thống nhúng MATLAB/Simulink được tạo bởi nhiều khối như: inport(vao), outport (ra), mathematical operator (phép toán), logical/relational operator (logic/quan hé), multiport switch, delay,. Cac block lién két voi nhau bang lines, truyền đữ liệu Boolean, integer, floating/fixed/point giữa chúng. Mỗi khối thực hiện một vai chức năng trên các đầu vào của nó và xuất ra kết quả.

Đầu ra của các khối là đầu vào cho khối khác (được biéu diễn bằng các đường nối các công vao/ra tương ứng). Các mô hình có thé được phân cấp. Mỗi khối có thé là một hệ con bao gồm các khối và đường khác.