从Matlab Simulink生成易读可重用代码

从MatlabSimulink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MATLAB2011b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MATLABCoder、SimulinkCoder、EmbeddedCoder三个功能模块，MATLABCoder从MATLAB代码生成代码，SimulinkCoder从Simulink模型生成代码，EmbeddedCoder结合MATLABCoder和SimulinkCoder，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/EmbeddedCoder/CodeGenerationSystem。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，固定步长，离散，可调参数，ERT目标，C语言，设置基本固定，未设置的地方保持默认。solveroptions:type--Fixedstep.solver--Discrete.optimization-signalsandparameters:Defaultparameterbehavior--tunable.Passreusablesubsystemoutputsas--输出较多选用structurereference.hardwareimplementation:按实际设hardwareboard,device,devicedetails.codegeneration:Systemtargetfile--ert.tlc,Language--C,generatecodeonly.codegenerationobjectives.comments:includecomments,默认全选，可按需要选择。symbols:命名规则设置，按各自代码规范设置。interface:设置整个模型生成代码的接口。codeinterfacepackage，可选择可重用，PassrootlevelI/Oas，模型输入输出参数一般较多，一般选择结构体，structurereference，模型数据、输入、输出通过各自独立结构体传入参数；partofmodeldatastructure，一个结构体传入参数。也可选择不可重用。configuremodelfunctions，点击进入，设置模型具体的C原型。getdefaultconfiguration，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。codestyle:设置代码风格。Parentheses括号，--Nominal(readability)，按可读性优化。Castingmode强制转换方式，Nominal.Codeindentation代码缩进，size--4.Codeplacement: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。Datatypereplacement:数据类型替换。4)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；signalattributes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-modeldata，弹出modeldata窗口。simulink提供的modeldata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modeldata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createnewdata窗口，值选择Simulink.Parameter，位置选择BaseWorkspace，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-Modelproperties，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。unitdelay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modeldata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modelexplorer图形界面统一管理。点击图标可打开。5)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-modeladvisor，针对模型，可选项目包括MISRA、ISO26262等。选中bytask，右侧点击runselectedchecks。analysis-datatypedesign-fixedpointtool，进入设置后，左侧选择项目，右侧运行检查。code-C/C++code-codegenerationadvisor，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、MISRAC:2012guidelines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。6)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LibraryBrowser工具栏图标基本模块库，搭建模型的基本元素所在库。ModelConfigurationParameters工具栏图标模型配置参数，模型仿真、生成代码所依赖的全局规则。ModeData菜单View-----ModeData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。ModelExplorer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。ModelAdvisor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。CodeGenerationAdvisorModelAdvisor----图标下拉根据选定项，针对代码生成设置，进行检查，提供建议。用户根据建议修改自己的模型。Fixed-PointTool菜单Analysis-----dataTypeDesign-Fixed-PointTool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。BuildModel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工具栏图标模型仿真运行。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整个模型的输出模块rt全局变量的前缀，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，createsubsystemfromselection．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-editmask，在parameter选项卡，编辑参数，将名称设为pid。4)右键-subsystemparameters，勾选treatasatomicunit，functionpacking设为reusable，函数名设为UnSatIntPid。5)打开modelexplorer，在数据字典中添加simulinkbus类，选中该类，右下角launchbuseditor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simulinkparameter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(