在ARM微控制器上部署MATLAB/Simulink仿真模型
本文在于記錄使用Simulink建模仿真，到最終部署到微控制器上的過程。從Simulink算法模型到目標硬件平臺可以支持的可執(zhí)行文件，大體經(jīng)過Matlab的各種模型描述語言，編譯成通用C語言，再在目標硬件平臺的編譯環(huán)境中編譯生成最終的可執(zhí)行文件。市面上的相關(guān)的學(xué)術(shù)研究和實踐經(jīng)驗，大多是使用了MATLAB已經(jīng)官方認證集成的BSP，例如：Arduino、TI DSP、STM32、樹莓派等，在這些工具包的加持下，MATLAB配合具體的目標平臺的集成開發(fā)環(huán)境，可以一通到底。但實際上，MATLAB只要在將Simulink工具描述的算法模型轉(zhuǎn)化成C語言，完全可以由開發(fā)者自行進一步適配的具體平臺，而不需要依賴于具體的官方認證的設(shè)備支持包。更進一步，適用于Arm兼容的微控制器，MATLAB已經(jīng)集成了一個通用的模板，在將MATLAB算法語言轉(zhuǎn)化成C語言的過程中特別考慮在嵌入式平臺上執(zhí)行的代碼優(yōu)化。
本文詳細演繹了從Simulink創(chuàng)建模型，仿真驗證，之后再生成C源碼部署到plus-f5270開發(fā)板的全過程。其中描述的方法和操作步驟，為后續(xù)部署更多仿真模型奠定了基礎(chǔ)。
Overview
從Simulink中以符號圖形和算法框圖表示的仿真模型，轉(zhuǎn)化成可編譯的C源碼，再到可以運行在嵌入式平臺的可執(zhí)行程序，經(jīng)歷了多個階段的處理，在每個階段需要對應(yīng)的工具，將上一階段的輸出文件作為本階段的輸入，經(jīng)過處理后再輸出給后續(xù)的環(huán)節(jié)。
圖x 從Matlab模型到目標平臺可執(zhí)行文件
圖x完整展示了MATLAB從算法模型到可執(zhí)行程序的各個環(huán)節(jié)：
?使用MATLAB、Simulink和Stateflow工具可以在MATLAB中創(chuàng)建模型，此時的模型可能是以邏輯圖符號的方式表示，保存成model.mdl文件
?RealTime Workshop（RTW）是MATLAB中的一個工具，是用來做仿真的軟件開發(fā)環(huán)境，可以使用描述模型符號及其邏輯關(guān)系的model.mdl文件作為輸入，經(jīng)過本地編譯，形成描述模型的model.rtw文件。RTW文件是以ASCII碼的形式存放，開發(fā)者可以直接讀其中的內(nèi)容。
–TLC目標語言編譯器（Target Language Compiler）是生成C源碼的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。TLC目標語言編譯器也是RTW的一部分，可以讀取model.rtw文件
–中的信息，將模型轉(zhuǎn)化成源代碼的描述。TLC目標語言編譯器可以輸出成多種語言，例如M語言、VHDL語言等，C語言是其中的一種選項。生成C語言也可以使用不同的模板，以約束生成代碼的組織方式和風(fēng)格，例如，一般實時目標使用grt.tlc模板，嵌入式實時目標使用ert.tlc模板。
–使用RTW生成源碼，還有更多靈活的操作，例如，使用配置宏觀代碼框架的系統(tǒng)TLC文件和配置單個模塊的模塊TLC文件，直接用函數(shù)源碼定義算法模塊的S-Function等。RTW不能轉(zhuǎn)換S-Function的代碼，需要開發(fā)者手寫代碼嵌入到生成代碼中。
–RTW還能根據(jù)makefile的模板文件，生成可適用于目標硬件平臺編譯環(huán)境的makefile文件model.mk。但這個不是必須的，如果某些集成開發(fā)環(huán)境沒有適配到MATLAB中，就需要手動添加生成的源文件到對應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境當中。
?通過TLC目標語言編譯器生成的C源碼文件model.c文件，可以直接加入到嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境當中（例如Keil）參與編譯。但實際上，這里生成的C源碼文件主要是描述算法的實現(xiàn)，是應(yīng)用程序的框架，仍需要開發(fā)者在具體嵌入式硬件平臺上，結(jié)合實際應(yīng)用，手動向其中嵌入具體的輸入輸出函數(shù)。
?MATLAB的工具生成算法執(zhí)行的源碼框架，配合目標嵌入式硬件平臺的適配移植，最終在嵌入式硬件平臺的編譯環(huán)境中完成編譯鏈接，最終生成可以在目標嵌入式硬件平臺上運行的可執(zhí)行文件。后續(xù)可以使用目標嵌入式硬件平臺的一般操作過程完成下載和調(diào)試。
MATLAB、Simulink、StateFlow、Real-Time Workshop之間的關(guān)系
?MATLAB 是一個集成開發(fā)環(huán)境，包含M語言的解析器，同時還提供多種特定應(yīng)用的工具箱。
?Simulink 是集成在 MATLAB 中的眾多工具箱的一個，作為建模、分析和仿真的交互環(huán)境。
?Stateflow 是Simulink中的一個功能組件，通過狀態(tài)圖執(zhí)行選項拓展了 Simulink 的功能，使得可編程的狀態(tài)圖也能作為Simulink仿真系統(tǒng)中的一個組件。
?Real-Time Workshop 在早期版本的MATLAB中曾經(jīng)作為一個獨立的組件，但后來并入Simulink工具箱中，可用于從Simulink模型生成優(yōu)化的、可移植的和可定制的ANSIC代碼。利用它可以針對某種目標平臺（例如嵌入式平臺）或是部分子系統(tǒng)可下載執(zhí)行的C代碼，以展開硬件在回路仿真。
?Simulink Coder即是之前的 Real-Time Workshop 和 StateflowCoder，可以從 Simulink 框圖和 Stateflow 系統(tǒng)以及 TargetLink 模型中自動生成 C 代碼。
MATLAB Coder、Simulink Coder、Embedded Coder之間的關(guān)系
Mathworks公司的MATLAB軟件環(huán)境中有3個代碼生成工具：Matlab Coder、Simulink Coder和Embedded Coder。MATLAB可以將M語言轉(zhuǎn)化成目標代碼，Simulink Coder可以將Simulink中的仿真模型轉(zhuǎn)化成目標代碼，而Embedded Coder 依賴于MATLAB Coder以及Simulink Coder的，通過進一步優(yōu)化，主要生成用于部署在嵌入式平臺上的源碼。
圖x MATLAB中的3中Coder生成器的關(guān)系
考慮最終將生成的C代碼部署到嵌入式平臺上，從MATLAB程序和從Simulink模型生成源碼的工具流有一些區(qū)別，如圖x所示。
圖x MATLAB中多種Coder生成器的工作流
從MATLAB算法模型到C語言
此處，以實現(xiàn)一個流水燈的模型為例，說明基于模型設(shè)計的全過程。
在Simulink中配置模型的開發(fā)環(huán)境
在MATLAB中啟動Simulink后，可通過工具欄的“建?！?>“模型設(shè)置”，激活“配置參數(shù)”對話框。如圖x所示。
圖x 在Simulink中打開配置參數(shù)對話框
在“配置參數(shù)”對話框中，首先配置“求解器”。求解器是Simulink用數(shù)值方法結(jié)算模型切片狀態(tài)的引擎，對應(yīng)于Simulink的仿真過程的行為。這里考慮將來是在嵌入式系統(tǒng)中作為周期任務(wù)更新求解過程，設(shè)定在Simulink的仿真行為同嵌入式系統(tǒng)類似，為“離散”的“固定步長”，計算步長的時間為10ms，對應(yīng)于配置對話框中的0.01s。如圖x所示。在實際的嵌入式系統(tǒng)平臺運行求解器時，將使用一個硬件定時器，以10ms的周期觸發(fā)中斷，執(zhí)行求解器的程序。
圖x 在配置參數(shù)對話框中配置求解器
在“配置參數(shù)”對話框的“硬件實現(xiàn)”標簽中，選擇即將生成代碼的目標平臺?？紤]到未來將會在ARM微控制器的平臺上部署（但不在Simulink的支持設(shè)備清單中），這里將“設(shè)備供應(yīng)商”選擇為“ARM Compatible”，選擇“設(shè)備”類型為“ARM Cortex-M”。特別注意將“Code Generation system target file”選擇成為“ert.tlc”，這是最終生成C語言的配置文件。
圖x 在配置參數(shù)對話框中配置硬件實現(xiàn)
實際上，在配置TLC時，配置參數(shù)對話框會自動切換到“代碼生成”頁面，在這里選擇使用etc.tlc文件。如圖x所示。
圖x 在配置參數(shù)對話框中配置代碼生成
從圖x中可以看到，Simulink提供了多種TLC配置文件可選。這里選擇的ert.tlc，是專門適用于Embedded Coder生成嵌入式系統(tǒng)C代碼的。
配置好項目之后，保存模型文件到文件系統(tǒng)中。從圖x中可以看到，Simulink保存的模型文件可以有兩種后綴名，一種是“.slx”，另一種是“.mdl”，這里，我們使用默認的“.slx”文件后綴名，保存成“leds_model.slx”文件。
圖x 在Simulink中保存模型文件
在MATLAB中創(chuàng)建符號和框圖描述的算法模型
在plus-f5270開發(fā)板上設(shè)計了4個可編程的LED燈，有原理圖如圖x所示。
圖x plus-f5270開發(fā)板上的可編程LED燈
這里要設(shè)計一個邏輯，用一個計數(shù)器驅(qū)動小燈的亮暗狀態(tài)，當計數(shù)器輸出0時，控制僅LED1亮，當計數(shù)器輸出1時，控制僅LED2亮，以此類推。計數(shù)器從0到3周期計數(shù)，小燈也依次閃爍。
在“庫瀏覽器”中選擇需要的符號元件，拖放到繪圖工作區(qū)中，例如，常量“Constant”、等于號“Equal”、有限計數(shù)器“Counter Limited”、輸出端點“Out”等，并可用示波器“Scope”和顯示器“Display”查看仿真輸出結(jié)果。使用連線，將符號的輸入輸出信號連接在一起，形成一個有輸入輸出的完整系統(tǒng)的功能框圖。如圖x所示。
圖x leds_model模型的功能框圖
從圖x中可以看出，計數(shù)器的輸出值驅(qū)動4個LED燈的亮暗狀態(tài)。但默認情況下，計數(shù)器的計數(shù)節(jié)奏是同求解器的計算步長保持一致的，如之前設(shè)定求解器的計算步長是10ms，這就意味著這些小燈會閃爍得非常快，難以被人眼觀察到。這里希望調(diào)整計數(shù)器的計數(shù)節(jié)奏為1m，需要調(diào)整計數(shù)器的計數(shù)節(jié)奏。雙擊計數(shù)器的圖標，可以激活計數(shù)器模塊的參數(shù)配置對話框，配置其中的“采樣時間”值為1。如圖x所示
圖x 配置計數(shù)器的計時步長
此時，使用計數(shù)器控制小燈閃爍的流水燈模型就已經(jīng)搭建完成。
在仿真的工具欄中，點擊“步進”即可逐步運行，點擊“運行”可以全速仿真運行。如圖x所示。
圖x Simulink的仿真工具欄
啟動仿真后，可以通過系統(tǒng)框圖中的示波器模塊查看仿真結(jié)果，如圖x所示。
圖x leds_model模型中的示波器模塊顯示仿真結(jié)果
從圖x中顯示的示波器輸出波形可以看到，4個輸出通道以1s為控制節(jié)奏，依次輸出高電平。驗證仿真結(jié)果達到預(yù)期設(shè)計。
使用TLC目標語言編譯器生成描述算法的C源碼
經(jīng)過仿真驗證的系統(tǒng)設(shè)計框圖，可以直接轉(zhuǎn)化成嵌入式系統(tǒng)可以可以執(zhí)行的C程序源碼。在調(diào)用RTW編譯模型生成C源碼之前，必須再次確認幾個配置要點：
?配置模型使用ert.tlc，這是專用于嵌入式系統(tǒng)平臺的目標語言編譯器配置選項。
?配置求解器的計算步長，0.001s或者0.01s均可，可根據(jù)實際需要的計算時間精度設(shè)定，這個時間長度對應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)中部署模型時，周期調(diào)用求解器程序的中斷服務(wù)程序的周期。
?在MATLAB的主窗口切換當前工作目錄到指定的項目錄下。如圖x所示。即將生成的C代碼工程將位于這里指定的目錄下。
圖x 在MATLAB中設(shè)定當前工作目錄
然后，試著生成C源碼。在Simulink的界面中，在工具欄“APP”頁面中選擇“Embedded Coder”激活“C代碼”標簽頁，然后在“C代碼”標簽頁中其中選擇“生成待代碼”。如圖x所示。
圖x 在Simulink中使用Embedded Coder生成C代碼
此時，Simulink的目標語言編譯器TLC將啟動編譯，并生成C源碼程序文件。如圖x所示。
圖x Embedded Coder生成的C源碼
至此，在Simulink中調(diào)用Embedded Coder，已經(jīng)將創(chuàng)建的leds_model模型轉(zhuǎn)化成了C源碼，保存在一系列源碼文件中。此時，可以在預(yù)先設(shè)定的當前工作目錄中，找到新建保存生成源碼文件的文件夾“l(fā)eds_model_ert_rtw”，顧名思義：leds_model是模型的名字；ert是Embedded Real-Time Target，對應(yīng)源碼生成器的配置選項；rtw是Real-Time Workshop，這是源碼生成器的工具包，在MATLAB的早期版本中獨立作為一個工具包，現(xiàn)在已經(jīng)被集成在源碼生成器內(nèi)部。
將模型C源碼集成到嵌入式平臺工程
集成模型C源碼碼到Keil工程中
這里準備了一個plus-f5270開發(fā)板上可以運行的工程，plus-f5270_hello_world_mdk，作為部署模型的基礎(chǔ)。
首先，將工程的目錄名改為“plus-f5270_leds_model_mdk” ，便于標識該工程專用于部署leds_model模型。在該工程根目錄下創(chuàng)建“model”目錄，將由Embedded Coder生成的模型C源碼文件全部復(fù)制到其中。此時，工程目錄的源碼結(jié)構(gòu)如圖x所示。
圖x 將生成的模型源碼文件復(fù)制到Keil工程目錄下
然后，在Keil工程中添加模型源碼，先試著編譯一下，驗證模型文件本身源碼的完整性。如圖x所示。
圖x 在Keil中編譯包含模型源碼的工程
經(jīng)編譯驗證可知，模型源碼本身是閉包無誤的，不會為基礎(chǔ)工程引入額外的錯誤，也不需要專門針對嵌入式編譯環(huán)境調(diào)整任何源碼。在Keil中編譯模型文件需要注意：
?需要在Keil工程中為新加入的模型源碼添加源文件搜索路徑。
?不要添加模型的ert_main.c文件。Embedded Coder為模型生成的ert_main.c文件中，包含了在嵌入式環(huán)境中調(diào)用模型的參考用例，其中包含兩個重要的函數(shù)：一個是頂級調(diào)用main()函數(shù)，另一個是需要基于硬件定時器中實現(xiàn)的中斷回調(diào)函數(shù)rt_OneStep()。在ert_main.c文件中，有注釋對main()函數(shù)和rt_oneStep()函數(shù)的用法進行了詳細的解釋。見代碼x所示。
代碼x Embedded Coder為leds_model生成的ert_main.c文件
/*
* File: ert_main.c
*
* Code generated for Simulink model 'leds'.
*
* Model version : 1.4
* Simulink Coder version : 9.8 (R2022b) 13-May-2022
* C/C++ source code generated on : Mon Dec 19 18:09:56 2022
*
* Target selection: ert.tlc
* Embedded hardware selection: ARM Compatible- >ARM Cortex-M
* Code generation objectives: Unspecified
* Validation result: Not run
*/
#include
#include /* This example main program uses printf/fflush */
#include "leds_model.h" /* Model header file */
/*
* Associating rt_OneStep with a real-time clock or interrupt service routine
* is what makes the generated code "real-time". The function rt_OneStep is
* always associated with the base rate of the model. Subrates are managed
* by the base rate from inside the generated code. Enabling/disabling
* interrupts and floating point context switches are target specific. This
* example code indicates where these should take place relative to executing
* the generated code step function. Overrun behavior should be tailored to
* your application needs. This example simply sets an error status in the
* real-time model and returns from rt_OneStep.
*/
void rt_OneStep(void);
void rt_OneStep(void)
{
static boolean_T OverrunFlag = false;
/* Disable interrupts here */
/* Check for overrun */
if (OverrunFlag) {
rtmSetErrorStatus(leds_model_M, "Overrun");
return;
}
OverrunFlag = true;
/* Save FPU context here (if necessary) */
/* Re-enable timer or interrupt here */
/* Set model inputs here */
/* Step the model */
leds_model_step();
/* Get model outputs here */
/* Indicate task complete */
OverrunFlag = false;
/* Disable interrupts here */
/* Restore FPU context here (if necessary) */
/* Enable interrupts here */
}
/*
* The example main function illustrates what is required by your
* application code to initialize, execute, and terminate the generated code.
* Attaching rt_OneStep to a real-time clock is target specific. This example
* illustrates how you do this relative to initializing the model.
*/
int_T main(int_T argc, const char *argv[])
{
/* Unused arguments */
(void)(argc);
(void)(argv);
/* Initialize model */
leds_model_initialize();
/* Attach rt_OneStep to a timer or interrupt service routine with
* period 0.001 seconds (base rate of the model) here.
* The call syntax for rt_OneStep is
*
* rt_OneStep();
*/
printf("Warning: The simulation will run forever. "
"Generated ERT main won't simulate model step behavior. "
"To change this behavior select the 'MAT-file logging' option.\\n");
fflush((NULL));
while (rtmGetErrorStatus(leds_model_M) == (NULL)) {
/* Perform application tasks here */
}
/* Terminate model */
leds_model_terminate();
return 0;
}
/*
* File trailer for generated code.
*
* [EOF]
*/