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

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。

 solver options: type -- Fixed step. solver -- Discrete.  optimization->signals and parameters:

 Default parameter behavior -- tunable.

 Pass reusable subsystem outputs as --输出较多选用structure reference.  hardware implementation: 按实际设hardware board, device, device details.  code generation:

 System target file -- ert.tlc, Language -- C, generate code only. code generation

objectives. ➢ comments: include comments, 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。

 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。 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；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

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 -> 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。

6) 点击图标

，编译模型生成代码。完成后可查看报告。

可打开。

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 Model Configuration Parameters Mode Data 工具栏图标 基本模块库，搭建模型的基本元素所在库。 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。 菜单View---- 列表显示当前层级模型的信号、参数、状态等，-Mode Data 可以在此处集中编辑。 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。 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。 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。 Model Explorer Model Advisor 工具栏图标 Code Generation Advisor Fixed-Point Tool Model Advisor----图标下拉 菜单Analysis ---- 针对定点数设计，进行检验，提供建议。用户- data Type Design 可以根据建议修改自己的模型。 - Fixed-Point Tool 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。 模型仿真运行。一般首先会用仿真验证模型。 Build Model Run 工具栏图标

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 U Y B P DW DefaultP Ext 含义 整个模型的输入模块 整个模型的输出模块 模块输出信号 模块参数 离散模块状态 默认参数 全局类型加的前缀 默认名称 local rt rtb _T step initialize 含义 局部变量加的前缀 全局变量的前缀，可设置 局部模块输出的前缀，可设置 默认类型后缀，可替换 模型入口，可设置 模型初始化，可设置

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。