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2024年1月24日发(作者:port怎么读)

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从Matlab Simulink生成易读可重用代码

by: 吴少风

MATLAB提供从MATLAB代码或simulink模型生成C/C++代码的功能。从MATLAB 2011b版开始,MATLAB将代码生成Coder作为单独模块发布。MATLAB每年更新两次,经过不断完善,新版本的Coder功能更强大。用MATLAB生成C/C++代码具有MATLAB Coder、Simulink

Coder、Embedded Coder三个功能模块,MATLAB Coder从MATLAB 代码生成代码,Simulink

Coder从Simulink模型生成代码,Embedded Coder结合MATLAB Coder和Simulink Coder,生成嵌入式代码。利用代码生成功能,可以快速从模型生成可靠的代码,应用越来越广泛。

要生成易于阅读、重用性好的代码,必须进行详细设置。文中内容以易读、可重用为目标,建立嵌入式代码生成的演示模型,了解Simulink代码生成相关工具,介绍详细设置步骤,最终生成容易阅读、可重用代码,供单处理器单任务实时嵌入式系统应用。文中的方法为严格控制生成代码的个人总结。以文档呈现,方便自己今后查看,也希望能为其他人提供一些方便。

1.简单示例

本部分搭建一个简单的PI控制器模型,示范模型建立、设置、生成代码的详细步骤。

1) 新建嵌入式代码生成模型,MATLAB->simulink,New / Embedded Coder / Code

Generation System。不选择一般simulink模板,可减少模型配置参数的设置。

2) 搭建如错误!未找到引用源。所示简易模型,保存文档,设置文件名。

图 1. 一个简单示例模型

3) 点击工具栏图标 ,设置模型配置参数,应用并保存。对嵌入式应用,固定步长,离散,可调参数,ERT目标,C语言,设置基本固定,未设置的地方保持默认。

 solver options: type -- Fixed step. solver -- Discrete.

 optimization->signals and parameters:

 Default parameter behavior -- tunable.

 Pass reusable subsystem outputs as --输出较多选用structure reference.

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 hardware implementation: 按实际设hardware board, device, device details.

 code generation:

 System target file -- , Language -- C, generate code only. code

generation objectives.

 comments: include comments, 默认全选,可按需要选择。

 symbols: 命名规则设置,按各自代码规范设置。

 interface: 设置整个模型生成代码的接口。

 code interface package,可选择可重用,Pass root level I/O as,模型输入输出参数一般较多,一般选择结构体,structure reference,模型数据、输入、输出通过各自独立结构体传入参数;part of model data structure,一个结构体传入参数。也可选择不可重用。

 configure model functions,点击进入,设置模型具体的C原型。get default

configuration,可修改模型默认initialize/step函数名,及参数,各输入输出单独作为函数参数,这与结构体传参是矛盾的,不能同时设置。

 code style: 设置代码风格。

 Parentheses括号, -- Nominal(readability),按可读性优化。

 Casting mode 强制转换方式,Nominal.

 Code indentation 代码缩进, size -- 4.

 Code placement: 代码放置,可设置变量定义或声明在单独文件还是和源代码放一起,头文件包含是< head.h >还是" head.h "。

 Data type replacement: 数据类型替换。

4) 设置模型中每一个基本模块的属性。

包括名称、值、数据类型、采样时间等。子模块或者引用模型等这类自定义模块,除了内部基本模块的属性外,还要设置各自的模块属性。模块中参数等值,必须按照设计配置;如果想使用可调参数,则将参数设置为变量,再设置变量值。生成代码模型中的模块名设置,最好遵循目标语言的命名规则,因为生成代码中的一些名称可以从模块名继承。嵌入式应用大多无浮点单元,定点数据的设置在模块属性的代码生成栏。

将图 1中各模块可按如下方式设置:

 inport,点击模块下方名称,设置模块名,将其设置为In;双击模块进入模块属性设置,main栏设置编号,编号会体现在子系统或引用模型上;signal attributes设置数据类型为定点数,16b字长10b小数部分fixdt(1,16,10)。其它模块设置方法类似。

 view->model data,弹出model data窗口。simulink提供的model data窗口,用于显示当前层级下的所有输入输出、信号、状态、参数,并将对应属性罗列成表格,而且表格可编辑部分属性。

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 Kp增益模块,双击模块,输出数据类型设置为同输入,参数数据类型设置为从Gain继承,Gain设置为Kp。

 在model data窗口,参数栏,Kp模块,值变为Kp,其后出现链接字样。点击弹出create new data窗口,值选择ter,位置选择Base

Workspace,创建,弹出ter: Kp属性窗口,设置值为10,数据类型为定点数fixdt(1,16,10),存储类型选择ExportedGlobal,确定。

 Ki增益模块,使用设置Kp的方法将simulink参数属性值设为1。

 File->Model properties,弹出模型属性窗口,选择数据栏,将数据定义到数据字典,选择或新建一个数据字典文件,应用。建立在基本工作区的数据迁移到数据字典保存。后面该模型新建参数等数据,基本工作区的位置将被数据字典代替。保存在基本工作区的数据,关闭MATLAB不会自动保存,因此一些模型也采用脚本配置。位置也可选择模型工作区,但保存到模型工作区的参数,有效的存储类型会受到限制。

 unit delay单位延时,初始条件设为0,状态名称按实际意义设置。

 Outport,数据类型可选自动。

信号名称,可到model data窗口统一设置,该窗口中选中信号,模型区会用颜色标记对应标记。没有设置名称的信号,按照内部规则生成代码。

模型相关设置,simulink还提供model explorer图形界面统一管理。点击图标打开。

5) 设置完成后,启用Advisor检查模型设置。选择检查项目,运行检查,修改不符合的项目。

analysis -> model advisor,针对模型,可选项目包括MISRA、ISO26262等。选中by

task,右侧点击run selected checks。

analysis -> data type design -> fixed point tool,进入设置后,左侧选择项目,右侧运行检查。

code -> C/C++ code -> code generation advisor,针对生成代码,可选项目有空间效率、执行效率、可追踪性、安全预警、MISRA C: 2012 guidelines等。

检查项目可能会弹出一些警告,是之前手动设置的,这时选择忽略。比如内联参数有效率,但想要用可调参数,就只能忽略检查时的警告。

6) 点击图标

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可,编译模型生成代码。完成后可查看报告。

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算法代码如下:

数据定义如下:

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nk生成代码相关工具

在“1简单示例”一节,介绍了代码生成的详细过程。其中一些常用的工具及菜单,现罗列于表 1中。

表 1. 常用工具及菜单

图标 名称 最方便的位置 功能

Library

Browser

工具栏图标 基本模块库,搭建模型的基本元素所在库。

Model

Configuration 工具栏图标

Parameters

Mode Data

Model

Explorer

模型配置参数,模型仿真、生成代码所依赖的全局规则。

菜单View---- 列表显示当前层级模型的信号、参数、状态等,-Mode Data 可以在此处集中编辑。

工具栏图标

树状结构的模型管理器,包括数据、配置、子模块等。从树状结构可以看出,每一个模型都单独包含数据数据、配置等元素。

根据选定项,针对模型设计,进行检查,提供建议。用户根据建议修改自己的模型。

根据选定项,针对代码生成设置,进行检查,提供建议。用户根据建议修改自己的模型。

Model Advisor 工具栏图标

Model

Advisor----图标下拉

Code

Generation

Advisor

Fixed-Point

Tool

菜单Analysis

---- - data Type

针对定点数设计,进行检验,提供建议。用户Design -

可以根据建议修改自己的模型。

Fixed-Point

Tool

工具栏图标

根据配置,编译模型生成代码。图标下拉栏还有:编译备选子系统,嵌入式代码快速向导。快速向导按步骤生成新配置,并依次生成代码。

模型仿真运行。一般首先会用仿真验证模型。

Build Model

Run 工具栏图标

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保留的默认名称

在“1简单示例”一节,生成的代码中出现了一些固定的名称,这些是代码生成器保留的默认名称,用户不能改变。为方便理解生成的代码,将这些默认名称及含义列于表 1中。

表 2. 生成代码中的默认名称

默认名称

U

Y

B

P

DW

DefaultP

Ext

含义

整个模型的输入模块

整个模型的输出模块

模块输出信号

模块参数

离散模块状态

默认参数

全局类型加的前缀

默认名称

local

rt

rtb

_T

step

含义

局部变量加的前缀

全局变量的前缀,可设置

局部模块输出的前缀,可设置

默认类型后缀,可替换

模型入口,可设置

initialize 模型初始化,可设置

4.代码重用

该部分将搭建一个稍微复杂模型,封装参数,生成可重用代码。

1) 建立如错误!未找到引用源。模型。

图 2. PID模型

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2) 选中上面模型,右键,create subsystem from selection.进入子系统,按上面介绍的方法编辑各基本模块。为信号和状态起名,设置输入数据类型,输出数据类型和输入保持一致。参数设置为结构体,比如KpGain的值设置为,数据类型继承。

3) 返回模型上一级,修改子系统名称为Dpid,选中子系统右键 -> mask -> edit mask,在parameter选项卡,编辑参数,将名称设为pid。

4) 右键->subsystem parameters,勾选treat as atomic unit,function packing设为reusable,函数名设为UnSatIntPid。

5) 打开model explorer,在数据字典中添加simulink bus类,选中该类,右下角launch

bus editor进入编辑,设置类名称为PidParaStrc,将参数按名称依次添加到类,并设置基本数据类型。

6) 在数据字典中添加simulink parameter对象,将对象数据名称设为DpidPar,类型设为PidParaStrc,值设为struct,存储类型设为ExportedGlobal。在DpidPar值属性列,编辑与PidParaStrc类成员对应的参数名称,并赋值。将simulink参数DpidPar复制一份,编辑其参数值。

7) 将子系统Dpid复制一份,名称改为Qpid,设置mask参数为QpidPar,连上输入输出,最终模型如图所示。

图 3. 代码重用演示模型

8) 设置好模型配置参数,编译生成代码,查看生成的报告。

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整个模型的代码如下,调用两次UnSatIntPid函数,分别传入不同的参数。

生成可重用的算法如下所示,函数名为设置的UnSatIntPid,函数参数有四个,依次是给定,反馈,子系统状态,PidParaStrc参数。

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5.数据重用

嵌入式应用多用查表的方式实现较复杂的数学函数,比如三角函数。而且为了保证精度,表格的数据一般较多。通常,如正弦函数,会充分利用周期性对称性,查找(0, pi/2)的sin表格。本部分将演示,将(0, pi/2)的sin表格定义为全局const变量,单独放在一个文件,实现sin/cos函数。

1) 建立如图 4模型实现sin查表。

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图 4. sin查表模型

模型输入为无符号短整型,执行环境下输入角度信号,ufix(16, 15)类型,1代表360度。输出为sfix(16, 15),为sin查表值。模型使用同一个[0,pi/2)的sin表,表长256,表数据类型同输出。

2) 设置查表模块名称为SinTab90d,右击设置属性,表格数据设置为SinTab90d,数据类型继承。对SinTab90d建立ter对象,保存到数据字典。参数值设置为sin( [ 0 : pi/2/255 : pi/2 ] ),数据类型设置为fixdt(1,16,15),存储类型设置为ConstVariable(Custom),定义文件、头文件设置为LkupTab。然后复制出其余四个查表模块。

3) 将模型封装为可重用子模块。

4) 按同样的方法,可利用[0,pi/2)的sin表格实现cos查表。

5) 最后建立如图 5模型,对算法进行仿真,验证算法输出是否没有错误。

图 5. 正弦查表算法仿真验证

仿真结果如图 6,从图中可看出,一个周期内计算结果均正确,算法得以验证。

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图 6. 正弦查表模型仿真波形

6) 剔除仿真用的信号发生和示波器,接输入输出端口,设置,然后生成代码。

整个模型的入口函数为:

按配置,模型为表格生成单独的文件:

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生成可重用的LkupSin函数如下,函数第一个参数为输入,第二个参数为输出。

更多使用方法,请参见MATLAB软件help。

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本文标签: 模型 设置 代码