鄒凡 朱宏翔 袁凱

摘 要：文章介紹了MATLAB/Simulink的自動代碼生成的實現(xiàn)方法和過程。以某新能源汽車油門控制模型為例，重點解釋了浮點模型和定點模型之間的區(qū)別，并通過自動生成的代碼和CodeWarrior編譯生成的可執(zhí)行文件證明定點模型相對于浮點模型所占內(nèi)存少。

關(guān)鍵詞：MATLAB/Simulink;自動代碼生成;浮點;定點

中圖分類號：U462? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-131-03

前言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，企業(yè)對電子控制系統(tǒng)的性能與開發(fā)效率提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)手寫代碼的開發(fā)方式周期長、調(diào)試難度大，已經(jīng)很難適用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)的開發(fā)。在新型電子控制系統(tǒng)的發(fā)展中，出現(xiàn)了一套成熟的汽車電控系統(tǒng)開發(fā)模式—V模式開發(fā)。利用MATLAB/Simulink工具搭建控制模型，在設(shè)計初期就可以直觀地反映設(shè)計需求，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，便于閱讀和修改，使模型的更新與代碼保持一致，而且沒有實施過程中產(chǎn)生的錯誤，并且可以處理很復(fù)雜的模型系統(tǒng)。其中，自動代碼生成技術(shù)可以直接從圖形模型生成目標(biāo)處理器上的代碼，不僅保證了代碼與模型的高度一致性，也使得控制器開發(fā)更加高效有序。

1 Simulink建模及代碼生成

1.1 Simulink建模

近幾年來，在汽車電子控制領(lǐng)域，Simulink已經(jīng)成為動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的軟件之一。由于Simulink是采用模塊組合方式來建模，從而可以使得用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機(jī)仿真模型，特別是對復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)更為方便。

1.2 自動代碼生成技術(shù)

在Simulink模型中要進(jìn)行自動代碼生成，至少有3部分需要配置：解算器（solver）;目標(biāo)硬件設(shè)置（hardware imple mentation）;系統(tǒng)目標(biāo)文件（system target file）。

一般情況下，Simulink的模型只生成應(yīng)用層代碼，其應(yīng)用層軟件與底層軟件結(jié)合只能通過手動集成。現(xiàn)基于Freescale的一款芯片自主開發(fā)出一鍵式自動代碼生成技術(shù)，通過編程自動集成應(yīng)用層軟件與底層軟件，即可將控制模型自動生成可執(zhí)行代碼。

對于解算器（solver），其類型需設(shè)置為固定步長。由于模型是用于生產(chǎn)嵌入式代碼，并下載到單片機(jī)中運行，而單片機(jī)總是以時鐘源提供的穩(wěn)定頻率運行，無法進(jìn)行變步長運算，所以兩采樣點間的時間間隔要設(shè)為固定。步長的大小取決于對計算精度和速度的平衡，步長越小，精度越高，而計算的速度越慢。在目標(biāo)硬件為通用的情況下，對代碼生成沒有影響，當(dāng)前設(shè)置為0.01s。

其次在目標(biāo)硬件設(shè)置（hardware implementation）中，設(shè)備供應(yīng)商（Device vendor）選擇為Freescale，設(shè)備類型（Device type）選擇為對應(yīng)的芯片型號。因為目前使用的整車控制器芯片平臺已經(jīng)達(dá)到成熟量產(chǎn)的狀態(tài)，所以目標(biāo)硬件設(shè)置將所選芯片設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)。

再次在Code Generation界面中，將系統(tǒng)目標(biāo)文件選擇為Embedded Coder對應(yīng)芯片的.tlc文件。Embedded Coder是可生成用于嵌入式單片機(jī)的實時C代碼的編譯器。TLC文件的作用是將模型編譯出的RTW文件轉(zhuǎn)換為支持某平臺或硬件的代碼，其Template makefile選擇targetcoder.tmf。取消勾選Generate code only，否則編譯只能生成C代碼，無法生成可執(zhí)行文件。

完成以上設(shè)置后，點擊Build Model或者Ctrl+B快捷鍵即可生成C代碼和可執(zhí)行文件。

2 浮點數(shù)模型和定點數(shù)模型

2.1 浮點數(shù)模型

Simulink建立的模型默認(rèn)情況下以double型變量定義，并且參數(shù)和信號都以結(jié)構(gòu)體形式生成代碼，這會使得參數(shù)和信號在調(diào)用時都產(chǎn)生冗長的代碼，降低可讀性，并加重RAM的儲存和單片機(jī)的計算負(fù)擔(dān)。

2.2 定點數(shù)模型

Simulink定點軟件支持整型數(shù)和定點數(shù)，它們之間的主要區(qū)別是小數(shù)點。在定點型硬件中，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制的形式進(jìn)行存儲。定點數(shù)和它們的數(shù)據(jù)類型以字長、二進(jìn)制小數(shù)點、有符號還是無符號為特征。目前整車控制器使用的為Freescale的16位芯片，其支持的是定點型數(shù)據(jù)，所以整車控制模型是以整數(shù)形式建模，但是其中的查表模塊（Lookup Table）因條件限制，其中的數(shù)據(jù)類型為single形式，隨著整車控制軟件功能的增加，其中的查表模塊使用的頻次增多，生成的代碼會加大對芯片內(nèi)存的占用，導(dǎo)致整車控制程序運行效率降低。所以通過使用Fixed-Point工具，對查表模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行定點化（fixdt）處理。

對整車控制模型中的油門控制算法進(jìn)行定點化：

3 生成結(jié)果分析

基于MATLAB/Simulink生成的浮點型代碼和定點化后生成的代碼數(shù)據(jù)如下：

定點數(shù)是用整數(shù)表達(dá)的小數(shù)，在單片機(jī)存儲上面的數(shù)據(jù)時，是以整數(shù)來存儲，如圖7所示，數(shù)據(jù)都為uint16_T類型，此數(shù)據(jù)類型在單片機(jī)中占用2個字節(jié)，而如圖6所示，數(shù)據(jù)都為real32_T類型數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)類型在單片機(jī)內(nèi)存中占據(jù)4個字節(jié);如圖6所示，查表的浮點數(shù)據(jù)總共是22個數(shù)據(jù)，定點化后是整數(shù)類型是33個數(shù)據(jù)。浮點型的存儲會占用的內(nèi)存是22*4=88個字節(jié);如果定點化后存儲數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存是33*2=66個字節(jié)。

而現(xiàn)在我們采用的是Freescale的16位單片機(jī)是定點處理器;這樣會大大的減少數(shù)據(jù)在單片機(jī)中存儲。

在CodeWarrior編譯器的右下方顯示（2.000000MHZ），表示晶振是2MHz，晶振后面就是時間。由圖8和圖9對比，圖8顯示的運行時間是1197，圖9顯示的運行時間是2780，定點化后運行同樣一個算法所使用的時間只占到了浮點模型運行時間的一半不到。

綜上所述，Simulink模型經(jīng)過定點化處理后，其代碼占用的內(nèi)存變小，程序運行的時間也大大縮短，從而可以提高整車控制器整個程序的運行效率和質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文介紹了MATLAB/Simulink的自動代碼生成技術(shù)，并著重介紹了浮點模型和定點模型生成代碼的區(qū)別。后期建立的Simulink模型可以朝定點數(shù)方向發(fā)展，進(jìn)一步高效的利用單片機(jī)的資源。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫忠瀟，Simulink仿真及代碼生成技術(shù)入門到精通[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015：350-374.

[2] 劉杰，翁公羽，周宇博，基于模型的設(shè)計-MCU篇[M]，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2011：458-465.