从Matlab-Simulink生成易读可重用代码

从Matlab-Simulink生成易读可重用代码
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
4)
5)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。

6)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。

●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create...链接字样。

点击弹出create new data窗口，值选择Simulink.Parameter，位置选择Base Workspace，创建，弹出Simulink.Parameter: 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。

点击图标可打开。

7)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。

8)点击图标，编译模型生成代码。

完成后可查看报告。

算法代码如下：
数据定义如下：
2.Simulink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
模型配置参数，
模型仿真、生成
Parameters
代码所依赖的全局规则。

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

Model
Explorer
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。

Model
Advisor
工具栏图
标
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。

Code Model 根据选定项，针
Generation
Advisor
Advisor----
图标下拉
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。

Fixed-Point
Tool
菜单
Analysis
---- - data
Type
Design -
Fixed-Point
Tool
针对定点数设
计，进行检验，
提供建议。

用户
可以根据建议修
改自己的模型。

Build Model
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。

Run 工具栏图模型仿真运行。

标一般首先会用仿
真验证模型。

3.Coder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
默认名称含义
默认名
称
含义
U 整个模型
的输入模
块
local 局部变量加的
前缀
Y 整个模型rt 全局变量的前
的输出模
块
缀，可设置
B 模块输出
信号
rtb 局部模块输出
的前缀，可设置
P 模块参数_T 默认类型后缀，
可替换
DW 离散模块
状态
step 模型入口，可设
置
DefaultP 默认参数initialize 模型初始化，可
设置
Ext 全局类型
加的前缀
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
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pid.Kp，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。

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。

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。

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
Simulink.Patameter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。

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：
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。