在ARM微控制器上部署MATLAB/Simulink仿真模型
描述
本文在于记录使用Simulink建模仿真，到最终部署到微控制器上的过程。从Simulink算法模型到目标硬件平台可以支持的可执行文件，大体经过Matlab的各种模型描述语言，编译成通用C语言，再在目标硬件平台的编译环境中编译生成最终的可执行文件。市面上的相关的学术研究和实践经验，大多是使用了MATLAB已经官方认证集成的BSP，例如：Arduino、TI DSP、STM32、树莓派等，在这些工具包的加持下，MATLAB配合具体的目标平台的集成开发环境，可以一通到底。但实际上，MATLAB只要在将Simulink工具描述的算法模型转化成C语言，完全可以由开发者自行进一步适配的具体平台，而不需要依赖于具体的官方认证的设备支持包。更进一步，适用于Arm兼容的微控制器，MATLAB已经集成了一个通用的模板，在将MATLAB算法语言转化成C语言的过程中特别考虑在嵌入式平台上执行的代码优化。
本文详细演绎了从Simulink创建模型，仿真验证，之后再生成C源码部署到plus-f5270开发板的全过程。其中描述的方法和操作步骤，为后续部署更多仿真模型奠定了基础。
Overview
从Simulink中以符号图形和算法框图表示的仿真模型，转化成可编译的C源码，再到可以运行在嵌入式平台的可执行程序，经历了多个阶段的处理，在每个阶段需要对应的工具，将上一阶段的输出文件作为本阶段的输入，经过处理后再输出给后续的环节。
图x 从Matlab模型到目标平台可执行文件
图x完整展示了MATLAB从算法模型到可执行程序的各个环节：
•使用MATLAB、Simulink和Stateflow工具可以在MATLAB中创建模型，此时的模型可能是以逻辑图符号的方式表示，保存成model.mdl文件
•RealTime Workshop（RTW）是MATLAB中的一个工具，是用来做仿真的软件开发环境，可以使用描述模型符号及其逻辑关系的model.mdl文件作为输入，经过本地编译，形成描述模型的model.rtw文件。RTW文件是以ASCII码的形式存放，开发者可以直接读其中的内容。
–TLC目标语言编译器（Target Language Compiler）是生成C源码的关键环节。TLC目标语言编译器也是RTW的一部分，可以读取model.rtw文件
–中的信息，将模型转化成源代码的描述。TLC目标语言编译器可以输出成多种语言，例如M语言、VHDL语言等，C语言是其中的一种选项。生成C语言也可以使用不同的模板，以约束生成代码的组织方式和风格，例如，一般实时目标使用grt.tlc模板，嵌入式实时目标使用ert.tlc模板。
–使用RTW生成源码，还有更多灵活的操作，例如，使用配置宏观代码框架的系统TLC文件和配置单个模块的模块TLC文件，直接用函数源码定义算法模块的S-Function等。RTW不能转换S-Function的代码，需要开发者手写代码嵌入到生成代码中。
–RTW还能根据makefile的模板文件，生成可适用于目标硬件平台编译环境的makefile文件model.mk。但这个不是必须的，如果某些集成开发环境没有适配到MATLAB中，就需要手动添加生成的源文件到对应的集成开发环境当中。
•通过TLC目标语言编译器生成的C源码文件model.c文件，可以直接加入到嵌入式系统的集成开发环境当中（例如Keil）参与编译。但实际上，这里生成的C源码文件主要是描述算法的实现，是应用程序的框架，仍需要开发者在具体嵌入式硬件平台上，结合实际应用，手动向其中嵌入具体的输入输出函数。
•MATLAB的工具生成算法执行的源码框架，配合目标嵌入式硬件平台的适配移植，最终在嵌入式硬件平台的编译环境中完成编译链接，最终生成可以在目标嵌入式硬件平台上运行的可执行文件。后续可以使用目标嵌入式硬件平台的一般操作过程完成下载和调试。
MATLAB、Simulink、StateFlow、Real-Time Workshop之间的关系
MathWorks
•MATLAB 是一个集成开发环境，包含M语言的解析器，同时还提供多种特定应用的工具箱。
•Simulink 是集成在 MATLAB 中的众多工具箱的一个，作为建模、分析和仿真的交互环境。
•Stateflow 是Simulink中的一个功能组件，通过状态图执行选项拓展了 Simulink 的功能，使得可编程的状态图也能作为Simulink仿真系统中的一个组件。
•Real-Time Workshop 在早期版本的MATLAB中曾经作为一个独立的组件，但后来并入Simulink工具箱中，可用于从Simulink模型生成优化的、可移植的和可定制的ANSIC代码。利用它可以针对某种目标平台（例如嵌入式平台）或是部分子系统可下载执行的C代码，以展开硬件在回路仿真。
•Simulink Coder即是之前的 Real-Time Workshop 和 StateflowCoder，可以从 Simulink 框图和 Stateflow 系统以及 TargetLink 模型中自动生成 C 代码。
MATLAB Coder、Simulink Coder、Embedded Coder之间的关系
Mathworks公司的MATLAB软件环境中有3个代码生成工具：Matlab Coder、Simulink Coder和Embedded Coder。MATLAB可以将M语言转化成目标代码，Simulink Coder可以将Simulink中的仿真模型转化成目标代码，而Embedded Coder 依赖于MATLAB Coder以及Simulink Coder的，通过进一步优化，主要生成用于部署在嵌入式平台上的源码。
图x MATLAB中的3中Coder生成器的关系
考虑最终将生成的C代码部署到嵌入式平台上，从MATLAB程序和从Simulink模型生成源码的工具流有一些区别，如图x所示。
图x MATLAB中多种Coder生成器的工作流
从MATLAB算法模型到C语言
此处，以实现一个流水灯的模型为例，说明基于模型设计的全过程。
在Simulink中配置模型的开发环境
在MATLAB中启动Simulink后，可通过工具栏的“建模”->“模型设置”，激活“配置参数”对话框。如图x所示。
图x 在Simulink中打开配置参数对话框
在“配置参数”对话框中，首先配置“求解器”。求解器是Simulink用数值方法结算模型切片状态的引擎，对应于Simulink的仿真过程的行为。这里考虑将来是在嵌入式系统中作为周期任务更新求解过程，设定在Simulink的仿真行为同嵌入式系统类似，为“离散”的“固定步长”，计算步长的时间为10ms，对应于配置对话框中的0.01s。如图x所示。在实际的嵌入式系统平台运行求解器时，将使用一个硬件定时器，以10ms的周期触发中断，执行求解器的程序。
图x 在配置参数对话框中配置求解器
在“配置参数”对话框的“硬件实现”标签中，选择即将生成代码的目标平台。考虑到未来将会在ARM微控制器的平台上部署（但不在Simulink的支持设备清单中），这里将“设备供应商”选择为“ARM Compatible”，选择“设备”类型为“ARM Cortex-M”。特别注意将“Code Generation system target file”选择成为“ert.tlc”，这是最终生成C语言的配置文件。
图x 在配置参数对话框中配置硬件实现
实际上，在配置TLC时，配置参数对话框会自动切换到“代码生成”页面，在这里选择使用etc.tlc文件。如图x所示。
图x 在配置参数对话框中配置代码生成
从图x中可以看到，Simulink提供了多种TLC配置文件可选。这里选择的ert.tlc，是专门适用于Embedded Coder生成嵌入式系统C代码的。
配置好项目之后，保存模型文件到文件系统中。从图x中可以看到，Simulink保存的模型文件可以有两种后缀名，一种是“.slx”，另一种是“.mdl”，这里，我们使用默认的“.slx”文件后缀名，保存成“leds_model.slx”文件。
图x 在Simulink中保存模型文件
在MATLAB中创建符号和框图描述的算法模型
在plus-f5270开发板上设计了4个可编程的LED灯，有原理图如图x所示。
图x plus-f5270开发板上的可编程LED灯
这里要设计一个逻辑，用一个计数器驱动小灯的亮暗状态，当计数器输出0时，控制仅LED1亮，当计数器输出1时，控制仅LED2亮，以此类推。计数器从0到3周期计数，小灯也依次闪烁。
在“库浏览器”中选择需要的符号元件，拖放到绘图工作区中，例如，常量“Constant”、等于号“Equal”、有限计数器“Counter Limited”、输出端点“Out”等，并可用示波器“Scope”和显示器“Display”查看仿真输出结果。使用连线，将符号的输入输出信号连接在一起，形成一个有输入输出的完整系统的功能框图。如图x所示。
图x leds_model模型的功能框图
从图x中可以看出，计数器的输出值驱动4个LED灯的亮暗状态。但默认情况下，计数器的计数节奏是同求解器的计算步长保持一致的，如之前设定求解器的计算步长是10ms，这就意味着这些小灯会闪烁得非常快，难以被人眼观察到。这里希望调整计数器的计数节奏为1m，需要调整计数器的计数节奏。双击计数器的图标，可以激活计数器模块的参数配置对话框，配置其中的“采样时间”值为1。如图x所示
图x 配置计数器的计时步长
此时，使用计数器控制小灯闪烁的流水灯模型就已经搭建完成。
在仿真的工具栏中，点击“步进”即可逐步运行，点击“运行”可以全速仿真运行。如图x所示。
图x Simulink的仿真工具栏
启动仿真后，可以通过系统框图中的示波器模块查看仿真结果，如图x所示。
图x leds_model模型中的示波器模块显示仿真结果
从图x中显示的示波器输出波形可以看到，4个输出通道以1s为控制节奏，依次输出高电平。验证仿真结果达到预期设计。
使用TLC目标语言编译器生成描述算法的C源码
经过仿真验证的系统设计框图，可以直接转化成嵌入式系统可以可以执行的C程序源码。在调用RTW编译模型生成C源码之前，必须再次确认几个配置要点：
•配置模型使用ert.tlc，这是专用于嵌入式系统平台的目标语言编译器配置选项。
•配置求解器的计算步长，0.001s或者0.01s均可，可根据实际需要的计算时间精度设定，这个时间长度对应于嵌入式系统中部署模型时，周期调用求解器程序的中断服务程序的周期。
•在MATLAB的主窗口切换当前工作目录到指定的项目录下。如图x所示。即将生成的C代码工程将位于这里指定的目录下。
图x 在MATLAB中设定当前工作目录
然后，试着生成C源码。在Simulink的界面中，在工具栏“APP”页面中选择“Embedded Coder”激活“C代码”标签页，然后在“C代码”标签页中其中选择“生成待代码”。如图x所示。
图x 在Simulink中使用Embedded Coder生成C代码
此时，Simulink的目标语言编译器TLC将启动编译，并生成C源码程序文件。如图x所示。
图x Embedded Coder生成的C源码
至此，在Simulink中调用Embedded Coder，已经将创建的leds_model模型转化成了C源码，保存在一系列源码文件中。此时，可以在预先设定的当前工作目录中，找到新建保存生成源码文件的文件夹“leds_model_ert_rtw”，顾名思义：leds_model是模型的名字；ert是Embedded Real-Time Target，对应源码生成器的配置选项；rtw是Real-Time Workshop，这是源码生成器的工具包，在MATLAB的早期版本中独立作为一个工具包，现在已经被集成在源码生成器内部。
将模型C源码集成到嵌入式平台工程
集成模型C源码码到Keil工程中
这里准备了一个plus-f5270开发板上可以运行的工程，plus-f5270_hello_world_mdk，作为部署模型的基础。
首先，将工程的目录名改为“plus-f5270_leds_model_mdk” ，便于标识该工程专用于部署leds_model模型。在该工程根目录下创建“model”目录，将由Embedded Coder生成的模型C源码文件全部复制到其中。此时，工程目录的源码结构如图x所示。
图x 将生成的模型源码文件复制到Keil工程目录下
然后，在Keil工程中添加模型源码，先试着编译一下，验证模型文件本身源码的完整性。如图x所示。
图x 在Keil中编译包含模型源码的工程
经编译验证可知，模型源码本身是闭包无误的，不会为基础工程引入额外的错误，也不需要专门针对嵌入式编译环境调整任何源码。在Keil中编译模型文件需要注意：
•需要在Keil工程中为新加入的模型源码添加源文件搜索路径。
•不要添加模型的ert_main.c文件。Embedded Coder为模型生成的ert_main.c文件中，包含了在嵌入式环境中调用模型的参考用例，其中包含两个重要的函数：一个是顶级调用main()函数，另一个是需要基于硬件定时器中实现的中断回调函数rt_OneStep()。在ert_main.c文件中，有注释对main()函数和rt_oneStep()函数的用法进行了详细的解释。见代码x所示。
代码x Embedded Coder为leds_model生成的ert_main.c文件
/*
* File: ert_main.c
*
* Code generated for Simulink model 'leds'.
*
* Model version : 1.4
* Simulink Coder version : 9.8 (R2022b) 13-May-2022
* C/C++ source code generated on : Mon Dec 19 18:09:56 2022
*
* Target selection: ert.tlc
* Embedded hardware selection: ARM Compatible- >ARM Cortex-M
* Code generation objectives: Unspecified
* Validation result: Not run
*/
#include
#include /* This example main program uses printf/fflush */
#include "leds_model.h" /* Model header file */
/*
* Associating rt_OneStep with a real-time clock or interrupt service routine
* is what makes the generated code "real-time". The function rt_OneStep is
* always associated with the base rate of the model. Subrates are managed
* by the base rate from inside the generated code. Enabling/disabling
* interrupts and floating point context switches are target specific. This
* example code indicates where these should take place relative to executing
* the generated code step function. Overrun behavior should be tailored to
* your application needs. This example simply sets an error status in the
* real-time model and returns from rt_OneStep.
*/
void rt_OneStep(void);
void rt_OneStep(void)
{
static boolean_T OverrunFlag = false;
/* Disable interrupts here */
/* Check for overrun */
if (OverrunFlag) {
rtmSetErrorStatus(leds_model_M, "Overrun");
return;
}
OverrunFlag = true;
/* Save FPU context here (if necessary) */
/* Re-enable timer or interrupt here */
/* Set model inputs here */
/* Step the model */
leds_model_step();
/* Get model outputs here */
/* Indicate task complete */
OverrunFlag = false;
/* Disable interrupts here */
/* Restore FPU context here (if necessary) */
/* Enable interrupts here */
}
/*
* The example main function illustrates what is required by your
* application code to initialize, execute, and terminate the generated code.
* Attaching rt_OneStep to a real-time clock is target specific. This example
* illustrates how you do this relative to initializing the model.
*/
int_T main(int_T argc, const char *argv[])
{
/* Unused arguments */
(void)(argc);
(void)(argv);
/* Initialize model */
leds_model_initialize();
/* Attach rt_OneStep to a timer or interrupt service routine with
* period 0.001 seconds (base rate of the model) here.
* The call syntax for rt_OneStep is
*
* rt_OneStep();
*/
printf("Warning: The simulation will run forever. "
"Generated ERT main won't simulate model step behavior. "
"To change this behavior select the 'MAT-file logging' option.\\n");
fflush((NULL));
while (rtmGetErrorStatus(leds_model_M) == (NULL)) {
/* Perform application tasks here */
}
/* Terminate model */
leds_model_terminate();
return 0;
}
/*
* File trailer for generated code.
*
* [EOF]
*/