快速原型中Simulink模型的代碼自動生成(1)_圖文

1、研究與設計電 子 測 量 技 術ELECT RON IC MEASU REMENT T ECH N OLOGY第32卷第2期2009年2月快速原型中Simulink 模型的代碼自動生成李 強 王民鋼 楊 堯(西北工業(yè)大學航天學院 西安 710072摘 要:快速原型仿真是實時仿真的一種, 它處于產品研發(fā)的算法設計階段與具體實現階段之間, 是產品研制過程中的一個重要環(huán)節(jié)。本文介紹了在快速原型系統(tǒng)中如何利用Matlab/Simulink 的代碼生成功能將Simulink 模型轉換成目標語言模型的方法; 既避免了Simulink 模型在Matlab/Simulink 環(huán)境下仿真速度低下的問題, 又能大

2、大降低用目標語言編程建模的工作強度。實際應用表明, 通過使用Simulink 模型的C 代碼自動生成, 可以方便快捷地將Simulink 模型應用于半實物仿真系統(tǒng), 縮短研制周期, 并提高仿真系統(tǒng)的靈活性和可靠性。關鍵詞:Simulink; 半實物仿真; 代碼生成; RT W 中圖分類號:T P391. 9 文獻標識碼:ACode generation of simulink models in the hardware 2in 2loop simulationLi Qiang Wang Mingang Yang Yao(School of Astronautics, Northwes ter

3、n Polytechn ical U niver sity, Xi p an 710072Abstr act:The hardware 2in 2the 2loop simulation pla ys an important role in the research and design process for guidedweapons. To satisfy the r eal 2time design r equirement of certa in missile hardwa re 2in 2the 2loop simulation system, The way t hat ho

4、w to use the ca pability of Matlab/Simulink in code generation to convert t he models constr ucted by Simulink to t arget language models is introduced, which not only avoids the problem of low simulation speed of the model in M atlab/Simulink circumstance, but also makes it ver y easy in making pro

5、gr ams to construct ta rget language models. T he actual applications have proved that the Simulink model can be applied to the hardwar e 2in 2the 2loop simulation syst em conveniently and rapidly based on the auto 2generation of code, the development per iod is shor ten, and the f lexibility and re

6、liability of t he simulat ion system are enhanced.Keywords:simulink; har dware 2in 2the 2loop simulation; auto 2generat ion of code; R TW0 引 言Mat lab/Simulink 是Mathworks 公司推出的一種科學計算仿真軟件。在傳統(tǒng)的控制理論研究中可以利用其方便地進行控制規(guī)律的設計與仿真, 但是Simulink 仿真大多為非實時仿真, 模型中的硬件環(huán)節(jié)由數學模型所代替。對于一些仿真實時性要求較高的場合, 如存在數據采集、串口通信等實時仿真任務時, 往

7、往達不到預期的理想控制效果。而且離線仿真不能對內存, 接口和通信等實時參量進行評價, 從而設計者必須不斷對自身的設計做出調整, 開發(fā)周期相對過長。為了解決這一矛盾, Mat hworks 公司推出了Real 2Time Workshop (RTW 子集, 利用它能夠實現Matlab/Simulink 模型向其他語言模型轉換, 這樣可以滿足實時仿真速度的不同要求, 有助于縮短開發(fā)周期, 具有較大的經濟價值和時常前景。本文對RTW 的主要功能和特點進行了說明, 介紹了RT W 代碼自動生成的詳細過程, 并結合工程實例對代碼自動生成結果的正確性進行了驗證。應用表明通過使用Simulink 模型的C

8、代碼自動生成, 可以方便快捷地將Simulink 模型應用于半實物仿真系統(tǒng), 縮短研制周期, 為導彈武器系統(tǒng)的研制提供了有利的條件。1 RTW 的主要功能及特點RT W 是和Matlab 、Simulink 一起使用的一個工具, 它可以直接從Simulink 模型生成代碼并且自動建立可以在不同環(huán)境下運行的程序, 這些環(huán)境包括實時系統(tǒng)和單機仿真。RT W 能夠應用的場合十分廣泛:1 實時控制:可以使用Matlab 和Simulink 設計控制系統(tǒng), 并且從建立的圖表模型生成代碼, 編譯并載入它們到目標硬件;2 實時信號處理:可以使用Matlab 和Simulink 設計信號處理算法, 同樣可以從

9、模型生成代碼, 編譯和載入它們到目標硬件;#28#李 強等:快速原型中Simulink 模型的代碼自動生成第2期3 生成可插入到其他仿真程序的便攜C 代碼:非缺省情況下, 根據用戶的設置可以生成如下代碼:¹Ada 代碼:從Simulink 模塊生成Ada 代碼, 要求用戶安裝Real2Time Workshop Ada Coder 。 º實時程序:將代碼轉換為適合硬件運行的實時程序。對應代碼被設置為和一個外部時鐘。源相連接, 且以用戶設定的固定采樣速率運行。»高性能單機仿真程序:將生成的代碼和普通實時系統(tǒng)目標文件一起使用, 為單機仿真生成可以執(zhí)行的程序。RT W

10、用戶界面可通過Simulink 提供的仿真參數框/Simulink Parameters 0選項打開, 其中Real/T ime Workshop 頁只對Real/Time Workshop 有效, 而其他頁對Simulink 仿真和RealT ime Workshop 都有效。2 代碼自動生成2. 1 RTW 程序自動創(chuàng)建過程RT W 程序自動創(chuàng)建過程能在不同主機環(huán)境下生成用于實時應用的程序。該創(chuàng)建過程使用高級語言編譯器中的聯(lián)編實用程序來控制所生成源代碼的編譯和鏈接過程。RT W 使用一個高級的M 文件命令控制程序創(chuàng)建過程, 默認命令是make 2rt w 。該創(chuàng)建過程包含如下4個步驟:1

11、分析模型RT W 的程序創(chuàng)建過程首先從對Simulink 模塊方框圖的分析開始, 包括如下過程:¹計算仿真和模塊參數;º遞推信號寬度和采樣時間;»確定模型中各模塊的執(zhí)行次序; ¼計算工作向量的大小。在本階段中, RTW 首先讀取模型文件(model. mdl 并對其進行編譯, 形成模型的中間描述文件model. rtw 。2 目標語言編譯器(TLC 生成代碼:在程序創(chuàng)建的第二階段, 目標語言編譯器將中間描述文件(model. rtw 轉換為目標指定代碼。3 生成自定義的聯(lián)編文件(makefile建立過程的第三階段是生成自定義聯(lián)編文件, 即model.mk

12、 文件。所生成聯(lián)編文件的作用在于:指導聯(lián)編程序如何對從模型中生成的源代碼、主程序、庫文件或用戶提供的模塊進行編譯和鏈接。4 生成可執(zhí)行程序創(chuàng)建過程的最后一個階段是生成可執(zhí)行程序, 該階段是可選項。如果用戶定制的目標系統(tǒng)是嵌入式微處理器或DSP 板, 可以只生成源代碼。然后使用特定的開發(fā)環(huán)境對代碼進行交叉編譯并將其下載到目標硬件中。圖1 代碼自動生成簡圖2. 2 自動代碼生成與底層硬件的無縫連接在半實物仿真中, 需要接入硬件實物來驗證仿真的有效性。2. 3 C 代碼生成的實現利用RT W 快速原型工具自動生成準確并高度優(yōu)化的DSP 可執(zhí)行代碼, 大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。利用快速原型自動化工具,

13、 通過正確地設置仿真參數, 不需要傳統(tǒng)的代碼編寫過程, 即可自動生成DSP 可執(zhí)行代碼。打開Simulink/Simulat ion/Configuration Paramet er 設置仿真參數, 關鍵是要正確地設置解析器(Solver和實時生成器RT W(Real2T ime Workshop 選項。Solver 選項:/Stop time 0設置為/inf 0; 解析器(Solver 的步長類型一定要設置為固定步長(Fixed 2st ep , 因為RT W 只能從固定步長的模型生成代碼; /Slover 0設置為/Discrete 0。RT W 能夠從Simulink 模型中自動產生C

14、 代碼, 必須指定正確的系統(tǒng)目標文件(System t arget file 和Mak efile 模板文件(T emplat e makefile , 設計中分別為/t i_c2000_ert. tlc 0、/ti_c2000_ert.tmf 0。設置好Build 選項后, 通過點擊RTW 面板上的Build 按鈕, Matlab 會自動與CCS 建立連接, 啟動系統(tǒng)目標文件, 將卡爾曼濾波框圖模塊轉化為T I C2000DSP 可執(zhí)行代碼, 自動調用CCS3. 1軟件并打開所生成的工程文件。主要包括源文件(source 文件夾 、庫文件(Library 文件夾 、連接文件(c md 等。M

15、AT LAB 的Command 窗口會顯示后臺處理的詳細過程, 在代碼生成過程中, 可能要根據系統(tǒng)的錯誤報告多次修改模型。#29#第32卷電 子 測量 技 術 圖2 Simulink 與底層硬件接口驅動開發(fā) 圖3 代碼生成的執(zhí)行3 仿真試驗及結果分析應用該半實物仿真系統(tǒng)成功地進行了某型導彈研制的所有半實物仿真試驗, 仿真結果表明該系統(tǒng)完全滿足仿真幀周期1ms 的指標要求, 在1ms 仿真周期內沒有出現數據錯幀和丟幀現象。圖4、圖5分別為某導彈閉合回路全數字仿真及半實物仿真試驗航跡傾角及導彈爬升高度變化曲線對比圖, 由圖可知兩者的結果幾乎完全吻合, 完全達到了所要求的技術指標, 也證明了該半實物

16、仿真系統(tǒng)通信軟件設計是滿足要求的。圖4 全數字仿真與半實物仿真航跡傾角變化曲線對比圖#30#李 強等:快速原型中Simulink 模型的代碼自動生成第2期 圖5 全數字仿真與半實物仿真導彈爬升高度變化曲線對比圖4 結 論RT W 能夠從Simulink 模型直接生成面向目標的代碼, 減少了用戶工作量。其用途不單體現在C 代碼生成上, 還可以利用其開放的接口支持第三方硬件和工具, 實現Simuink 模型向更多其他目標語言代碼的自動生成。參考文獻1 劉志國, 劉太陽, 王仕成, 等. 基于實時網絡的半實物仿真集成平臺研究J. 系統(tǒng)仿真學報, 2007, 19(15 . 2 樓俊榮. 分布式虛擬靶

17、試系統(tǒng)的實時數據通訊與管理技術研究D.西安:西北工業(yè)大學, 2006.3 王朝輝. 面向實時分布系統(tǒng)的實時網絡技術研究D. 西安:西北工業(yè)大學, 2002.4姜波. 實時分布仿真平臺下的異構系統(tǒng)集成技術研究D.西安:西北工業(yè)大學, 2004.5徐小英, 王林. RT 2LAB 快速控制原型在隨動系統(tǒng)的應用J. 系統(tǒng)仿真學報, 2006, 18(14 .作者簡介李強(1983 , 男(漢族, 山西人, 西北工業(yè)大學航天學院博士研究生, 主要研究方向為飛行控制與仿真技術。E 2mail:rep111163. com(上接第23頁3 結 論通過查閱相關工業(yè)標準, 認真分析, 最終實現了在有限的空間內

18、以簡潔、安全的方式滿足電路板的大電流需求; 對比常用串口擴展方式, 最終選定了一種硬件開銷小, 軟件設計壓力不大的串口擴展方式 SMBus 通訊方式, 解決了多串口需求難題; 通過選擇合適的數字 自整角機/旋轉變壓器轉換器, 實現了隨動信號的產生, 滿足精度要求。整個輔發(fā)控系統(tǒng)已通過驗收。參考文獻1黃劼, 許明恒, 秦玉芳, 等. 單片機系統(tǒng)多串口設備集成化研究Z. 微計算機信息(嵌入式與SOC , 2007, 23.2吳允平, 蔡聲鎮(zhèn), 蘇偉達, 等. 51單片機系統(tǒng)的擴展多串口設計及應用Z.福建師范大學學報:自然科學版, 2006, 22(22.3C8051F020/1/2/3混合信號I SP FLASH 微控制器數據手冊Z. 潘琢金譯. 2005.4 C8051F310/1/2/3/4/58/16KB ISP FLASH 微控制器數據手冊Z.潘琢金譯. 2004.5 趙學軍. 基于單片機通用引腳的軟件UART 設計Z.微計算機信息(嵌入式與S