Simulink及基于模型设计的嵌入式应用_孙忠潇
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Simulink及基于模型设计的 嵌入式应用
FNST第三事业部第一开发部主任工程师 孙忠潇 Simulink基础版主及代码生成版主：hyowinner
2014年5月24日
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
目录
@Simulink是什么
各家释意 用户群分析 学习难度分析
@Simulink能够做什么
视频处理 音频处理 工业流程模拟 发动机控制 自定义娱乐工具箱 Target Support Package目标芯片的驱动工具箱
@基于模型的嵌入式设计及应用
MBD(Model based Design) 代码自动生成相关知识 MBD demo——滤波器建模，生成代码以及验证
2 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink是什么
@百度：Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提 供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
@Matlab2013b：simulink opens the Simulink® Library
Browser.
@Hyowinner：Simulink = Simu + Link Simu -> Simulation ->仿真 ->具象化逻辑及结果 Link -> 连接 ->模块与库连接 ->设计与需求连接
->模型与代码连接
->你我与Matlab/Simulink连接
3
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink是什么
模块库 模型
波形
普遍认识 从Simulink Browser里选择模块，建 立模型并且进行仿真。
4 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink是什么
粉丝 根据论坛回帖数统计判断， 大概只有Matlab的1/8
阶段 Simulink的使用者较多都有 着坚实的Matlab技术基础
特点 Simulink的使用者较多都 有耐心，入门门槛较高
期待
Simulink的使用者都期待其 功能更加强大，能快速实现 想要做的事
5 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink是什么
Matlab 上手容易，一般从调用简单 的绘图函数或矩阵创建开始 Simulink 要求整体把握，理有点难度， 一开始就要面对整个系统
Matlab 学科分支多，理论深度达， 后期依靠的是学术理论造诣
Simulink Simulink运行机制与流程的 理解，会加速应用的熟练度
6
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
视频处理
跟Matlab一样功能强大，具有动态系统仿真的功能，包含信号处理，图像视频处理， 数值运算，控制系统等等各个方面。
视频帧差分使能录像仿真
7
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
音乐播放器
Simulink作为功能强大的动态仿真工具，通过模型建立，运行仿真，甚至自定义模块 应用于信号处理音频处理，数值运算，控制系统等等各个方面。
使用自带模块搭建 音频解析器，方便 快捷。 稍作加工即可实现： 播放开始后进行音 量调节、暂停、继 续以及播放停止等 动作。 构成音乐播放器
8 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
工业仿真
跟GUI结合开发工业仿真软件，具有动态系统仿真的功能，包含信号处理， 图像视频处理，流程模拟，数值计算，控制系统，等各个方面。 工业乙醇连续发酵仿真
concentration(kg/m3)
300 200 100 0
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concentration(kg/m3)
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
发动机控制
使用Simulink进行汽车发动机控制规格设计，采用基于模型设计的嵌入式软件开发 流程，经过代码自动生成和各个阶段的严格测试，实现汽车发动机控制代码的量产。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
自定义功能
S Function是Simulink Engine运行的机理体现，同时也给予用户自定义模块的功能 甚至可以自己定义工具箱加入到Simulink Browser中，让你随心所欲！ 自定义娱乐工具箱
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
TSP
Target Support Package是针对某一系列MCU/DSP芯片的驱动代码配置与自动生成 工具箱，给MBD嵌入式开发者提供快速算法验证环境，FM4 TSP主要有以下优点: 1.无需编写驱动代码：使用者通过简单的对话框设置即可生成驱动代码 2.生成代码有效：错误的不合理的驱动配置模型会通过错误提示让使用者改正 3.流程自动化：从模型代码生成，IDE启动，工程创建，编译，下载一键完成
12
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
基于模型设计
Model Based Design，基于模型设计是一种流程，较之传统软件开发流程而言， 使开发者能够更快捷、以更少的成本花费进行开发。适用范围包括信号处理，控制 系统，通信行业。表述系统的模型是整个开发流程的中心，贯穿需求，设计，实施 与测试。模型本身就是一个可执行的规格书，开发者修改优化模型就是对设计的修 缮，无需到实施之后通过测试再进行系统验证，可以通过仿真在早期设计时期就及 时进行正确性验证，并且在实施阶段，特别是对于嵌入式软件，代码由模型生成。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
需求
以一个简单的滤波器设计作为需求，通过基于模型设计简化流程将需求与算法设计 绑定起来，以保证所有需求都被覆盖，最终实现需求与设计的一致性。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
模型建立与仿真
根据滤波器的数学表达关系进行模型建立模型，并设计输入输出进行仿真，以验证 模型计算的正确性。模型输入包括滤波系数和需要滤波的信号(带噪声的正弦波) 仿真时，选择合适的算法至关重要。
15
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
解算器的选择
应用于嵌入式开发的模型往往需要选择固定步长的解算器，而不选用变步长的解算器 这是因为微控制器的时钟信号是以固定频率的周期工作，虽然可以实现倍频和分频， 往往在一个应用的过程中每个基础时钟信号是保持不变的。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
系统目标文件
System Target File是Simulink生成代码不可或缺的起到总领作用的文件。它决定 了自身被选择时模型配置的动作，自定义GUI的追加，模型生成代码的类型，以及 主函数main的生成与否，生成方式等等。 grt.tlc: 快速原型 ert.tlc: 嵌入式C代码，通常使用此项或在此之上进行自定义硬件目标TSP工具的定制 custom:往往都是以ert.tlc为基础，追加自定义硬件对应的配置或功能 所谓tlc即Target Language Compiler的缩写是一种解释性编程语言，可以将模型编译 出来的rtw文件按照block级tlc程序转化为目标代码。 联编文件 联编文件，即makefile文件(mk),在make_rtw指令下以系统模板联编文件(System Template Makefile 即system.tmf)为基础，生成model.mk联编程序，主要负责将模型产 生的程序，附件的库文件和自定义的模块进行编译和链接。系统模板联编文件(tmf)允 许用户指定编译器，编译选项，以及可执行文件生成时所附带的信息。
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基于模型的嵌入式设计及应用
需求与模型关联
通过rmi setup注册Active-X controls后Simulink Model菜单栏增加了需求追踪功能 追加了链接之后，文档中出现Simulink的小图标，能够从需求文档链接到模型；每当 需求出现了变更可以通过链接检查是否及时反映到所设计的模型中，以保持一致性
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
模型检查与验证
随着模型复杂度的提高，人工检查模型属性，配置以及对于MAAB标准的遵守度逐渐 成为负担，使用Simulink工具栏中的Model Advisor工具可以自动进行标准以及模型 配置和属性的检查，并产生检查报告。检查的内容： 1.是否会导致系统仿真出错 2.是否会导致生成的代码无效(Simulink Coder&Embedded Coder) 3.生成的代码是否符合安全标准(Simulink Coder&Embedded Coder&Simulink V&V)
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
模型效率分析
使用Profiler Report来了解模型每个环节的时间消耗和调用次数。 报告中会提示模型执行时间，调用函数清单和每个函数调用的详细效率分析信息 使用注意： 1.如果算法模型使用Model Referrence引用，那么需要使该模型在Normal模式 2.在进行Profiler时并不分析Model Referrence内部，需要单独分析
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代码自动生成
初次尝试，先使用ert.tlc作为系统目标文件生成嵌入式Ｃ代码 ert.tlc会启动代码生成过程，将模块转化为C代码 未经过任何优化的代码可读性不强
21
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代 代 码 码 自 自 动 动 生成—提高可 生成—提高可 读 读 性 性1
1.为模型增加信号名 2.通过信号线属性配置存储数据类型
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基于模型的嵌入式设计及应用
代码自动生成—提高可读性2
1.为模型增加信号名 2.通过M代码在BaseWorkspace创建信号数据对象 3.关联数据对象与模型信号 disableimplicitsignalresolution(gcs)命令可自动关联
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基于模型的嵌入式设计及应用
代码自动生成—结构化
1.将模型转换为子系统 2.在Block Parameter中配置为原子子系统 3.Code Generation页面定义函数名与文件名
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代码的有效性验证
最终目的是将通过模型生成的代码下载到目标硬件中去使用，那么模型生成的代码 能不能如实地反映仿真过程是必须要去验证的。模型与代码的一致性验证可以通过 处理器在环仿真(Processor In the Loop,PIL) 来验证。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
More about Simulink：to be continued
FNST第三事业部第一开发部主任工程师 孙忠潇 Simulink基础版主及代码生成版主：hyowinner
2014年5月24日
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@Simulink是什么
各家释意 用户群分析 学习难度分析
@Simulink能够做什么
视频处理 音频处理 工业流程模拟 发动机控制 自定义娱乐工具箱 Target Support Package目标芯片的驱动工具箱
@基于模型的嵌入式设计及应用
MBD(Model based Design) 代码自动生成相关知识 MBD demo——滤波器建模，生成代码以及验证
2 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink是什么
@百度：Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提 供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
@Matlab2013b：simulink opens the Simulink® Library
Browser.
@Hyowinner：Simulink = Simu + Link Simu -> Simulation ->仿真 ->具象化逻辑及结果 Link -> 连接 ->模块与库连接 ->设计与需求连接
->模型与代码连接
->你我与Matlab/Simulink连接
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Simulink是什么
模块库 模型
波形
普遍认识 从Simulink Browser里选择模块，建 立模型并且进行仿真。
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Simulink是什么
粉丝 根据论坛回帖数统计判断， 大概只有Matlab的1/8
阶段 Simulink的使用者较多都有 着坚实的Matlab技术基础
特点 Simulink的使用者较多都 有耐心，入门门槛较高
期待
Simulink的使用者都期待其 功能更加强大，能快速实现 想要做的事
5 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink是什么
Matlab 上手容易，一般从调用简单 的绘图函数或矩阵创建开始 Simulink 要求整体把握，理有点难度， 一开始就要面对整个系统
Matlab 学科分支多，理论深度达， 后期依靠的是学术理论造诣
Simulink Simulink运行机制与流程的 理解，会加速应用的熟练度
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
视频处理
跟Matlab一样功能强大，具有动态系统仿真的功能，包含信号处理，图像视频处理， 数值运算，控制系统等等各个方面。
视频帧差分使能录像仿真
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
音乐播放器
Simulink作为功能强大的动态仿真工具，通过模型建立，运行仿真，甚至自定义模块 应用于信号处理音频处理，数值运算，控制系统等等各个方面。
使用自带模块搭建 音频解析器，方便 快捷。 稍作加工即可实现： 播放开始后进行音 量调节、暂停、继 续以及播放停止等 动作。 构成音乐播放器
8 Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
工业仿真
跟GUI结合开发工业仿真软件，具有动态系统仿真的功能，包含信号处理， 图像视频处理，流程模拟，数值计算，控制系统，等各个方面。 工业乙醇连续发酵仿真
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Simulink能够做什么
发动机控制
使用Simulink进行汽车发动机控制规格设计，采用基于模型设计的嵌入式软件开发 流程，经过代码自动生成和各个阶段的严格测试，实现汽车发动机控制代码的量产。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
自定义功能
S Function是Simulink Engine运行的机理体现，同时也给予用户自定义模块的功能 甚至可以自己定义工具箱加入到Simulink Browser中，让你随心所欲！ 自定义娱乐工具箱
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
Simulink能够做什么
TSP
Target Support Package是针对某一系列MCU/DSP芯片的驱动代码配置与自动生成 工具箱，给MBD嵌入式开发者提供快速算法验证环境，FM4 TSP主要有以下优点: 1.无需编写驱动代码：使用者通过简单的对话框设置即可生成驱动代码 2.生成代码有效：错误的不合理的驱动配置模型会通过错误提示让使用者改正 3.流程自动化：从模型代码生成，IDE启动，工程创建，编译，下载一键完成
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
基于模型设计
Model Based Design，基于模型设计是一种流程，较之传统软件开发流程而言， 使开发者能够更快捷、以更少的成本花费进行开发。适用范围包括信号处理，控制 系统，通信行业。表述系统的模型是整个开发流程的中心，贯穿需求，设计，实施 与测试。模型本身就是一个可执行的规格书，开发者修改优化模型就是对设计的修 缮，无需到实施之后通过测试再进行系统验证，可以通过仿真在早期设计时期就及 时进行正确性验证，并且在实施阶段，特别是对于嵌入式软件，代码由模型生成。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
需求
以一个简单的滤波器设计作为需求，通过基于模型设计简化流程将需求与算法设计 绑定起来，以保证所有需求都被覆盖，最终实现需求与设计的一致性。
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基于模型的嵌入式设计及应用
模型建立与仿真
根据滤波器的数学表达关系进行模型建立模型，并设计输入输出进行仿真，以验证 模型计算的正确性。模型输入包括滤波系数和需要滤波的信号(带噪声的正弦波) 仿真时，选择合适的算法至关重要。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
解算器的选择
应用于嵌入式开发的模型往往需要选择固定步长的解算器，而不选用变步长的解算器 这是因为微控制器的时钟信号是以固定频率的周期工作，虽然可以实现倍频和分频， 往往在一个应用的过程中每个基础时钟信号是保持不变的。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
系统目标文件
System Target File是Simulink生成代码不可或缺的起到总领作用的文件。它决定 了自身被选择时模型配置的动作，自定义GUI的追加，模型生成代码的类型，以及 主函数main的生成与否，生成方式等等。 grt.tlc: 快速原型 ert.tlc: 嵌入式C代码，通常使用此项或在此之上进行自定义硬件目标TSP工具的定制 custom:往往都是以ert.tlc为基础，追加自定义硬件对应的配置或功能 所谓tlc即Target Language Compiler的缩写是一种解释性编程语言，可以将模型编译 出来的rtw文件按照block级tlc程序转化为目标代码。 联编文件 联编文件，即makefile文件(mk),在make_rtw指令下以系统模板联编文件(System Template Makefile 即system.tmf)为基础，生成model.mk联编程序，主要负责将模型产 生的程序，附件的库文件和自定义的模块进行编译和链接。系统模板联编文件(tmf)允 许用户指定编译器，编译选项，以及可执行文件生成时所附带的信息。
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
需求与模型关联
通过rmi setup注册Active-X controls后Simulink Model菜单栏增加了需求追踪功能 追加了链接之后，文档中出现Simulink的小图标，能够从需求文档链接到模型；每当 需求出现了变更可以通过链接检查是否及时反映到所设计的模型中，以保持一致性
18
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
模型检查与验证
随着模型复杂度的提高，人工检查模型属性，配置以及对于MAAB标准的遵守度逐渐 成为负担，使用Simulink工具栏中的Model Advisor工具可以自动进行标准以及模型 配置和属性的检查，并产生检查报告。检查的内容： 1.是否会导致系统仿真出错 2.是否会导致生成的代码无效(Simulink Coder&Embedded Coder) 3.生成的代码是否符合安全标准(Simulink Coder&Embedded Coder&Simulink V&V)
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
模型效率分析
使用Profiler Report来了解模型每个环节的时间消耗和调用次数。 报告中会提示模型执行时间，调用函数清单和每个函数调用的详细效率分析信息 使用注意： 1.如果算法模型使用Model Referrence引用，那么需要使该模型在Normal模式 2.在进行Profiler时并不分析Model Referrence内部，需要单独分析
20
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代码自动生成
初次尝试，先使用ert.tlc作为系统目标文件生成嵌入式Ｃ代码 ert.tlc会启动代码生成过程，将模块转化为C代码 未经过任何优化的代码可读性不强
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代 代 码 码 自 自 动 动 生成—提高可 生成—提高可 读 读 性 性1
1.为模型增加信号名 2.通过信号线属性配置存储数据类型
22
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代码自动生成—提高可读性2
1.为模型增加信号名 2.通过M代码在BaseWorkspace创建信号数据对象 3.关联数据对象与模型信号 disableimplicitsignalresolution(gcs)命令可自动关联
23
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代码自动生成—结构化
1.将模型转换为子系统 2.在Block Parameter中配置为原子子系统 3.Code Generation页面定义函数名与文件名
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Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
基于模型的嵌入式设计及应用
代码的有效性验证
最终目的是将通过模型生成的代码下载到目标硬件中去使用，那么模型生成的代码 能不能如实地反映仿真过程是必须要去验证的。模型与代码的一致性验证可以通过 处理器在环仿真(Processor In the Loop,PIL) 来验证。
25
Copyright 2014 FUJITSU LIMITED
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