基于Matlab的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 穎

(廈門海洋學(xué)院 信息系計(jì)算機(jī)教研室，廈門 361012)

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程大致可分為需求分析、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、測(cè)試與驗(yàn)證4個(gè)環(huán)節(jié)，具有如下特點(diǎn):每個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)孤立地進(jìn)行，“好似一堵堵的墻”;開發(fā)人員不可避免地存在對(duì)需求分析與技術(shù)規(guī)范文檔的理解偏差;設(shè)計(jì)必須通過搭建硬件原型進(jìn)行，開發(fā)資金投入大;實(shí)現(xiàn)只能采用手工編程的方式，難度大、效率低、錯(cuò)誤多;測(cè)試與驗(yàn)證只能在完成原型樣機(jī)之后才進(jìn)行，查錯(cuò)與修正的費(fèi)用巨大，造成潛在的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn);對(duì)于大型項(xiàng)目，需要眾多的開發(fā)人員手工編程，并且開發(fā)平臺(tái)也不統(tǒng)一，后期整合難度大，開發(fā)周期長(zhǎng)等，限制了嵌入式DSP、MSP430單片機(jī)等的應(yīng)用普及。

本文所介紹的基于Matlab的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程與傳統(tǒng)方法并無太大差別，與傳統(tǒng)方法比較，具有如下優(yōu)勢(shì):在統(tǒng)一的開發(fā)－測(cè)試平臺(tái)上，允許產(chǎn)品從需求分析階段就開始驗(yàn)證，并做到持續(xù)不斷的驗(yàn)證與測(cè)試;產(chǎn)品的缺陷暴露在產(chǎn)品開發(fā)的初級(jí)階段，開發(fā)者把主要精力放在算法和測(cè)試用例的研究上，嵌人式代碼的生成和驗(yàn)證過程則留給計(jì)算機(jī)完成。本文將通過一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)來說明基于Matlab模型的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程

1.1 系統(tǒng)建模

轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖1所示。該系統(tǒng)主電路采用了SPWM電壓型逆變器，逆變器所需的PWM由控制器輸出。控制器根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差來控制PWM，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使實(shí)際轉(zhuǎn)速可以自動(dòng)跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上述系統(tǒng)控制原理，在Matlab-Simulink中建立如圖2所示的模型。

系統(tǒng)的控制部分由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運(yùn)算、兩相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。

仿真給定了轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)的空載起動(dòng)過程，在起動(dòng)后0.45 s時(shí)加載TL=65N·m。該系統(tǒng)是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，收斂是仿真計(jì)算中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，經(jīng)試用各種計(jì)算方法，選擇了固定步長(zhǎng)算法ode5，步長(zhǎng)取10e－50。模型仿真的結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速變化

1.2 模型離散化

前面介紹的控制模型是連續(xù)系統(tǒng)的模型，而實(shí)際的控制是由DSP來完成的，且大部分的控制器包括DSP都是數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)離散的控制。另外，利用實(shí)時(shí)工作站(RealTimeWorkshop)生成代碼要求不能包含連續(xù)系統(tǒng)的模型，所以必須把連續(xù)系統(tǒng)的模型用離散系統(tǒng)的模型替代。

原來的模型中包含連續(xù)系統(tǒng)模型的有給定環(huán)節(jié)、電流電壓轉(zhuǎn)換及定子電壓矢量轉(zhuǎn)角3個(gè)部分，這些模型中包含的連續(xù)模型有積分模塊、限幅積分模塊和微分模塊。篇幅所限，這里給出給定環(huán)節(jié)的離散模型，給定環(huán)節(jié)中包含了1個(gè)限幅積分模型。由于離散系統(tǒng)沒有相同的模型，所以用1個(gè)積分模型和1個(gè)限幅模型來代替原來的限幅積分模型，替換后將限幅模型的上限下限設(shè)置成與原模型相同。替換后的模型如圖4所示。

圖4 給定環(huán)節(jié)離散模型

模塊更換完成之后，再次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，可以得到同樣的結(jié)果。這說明離散后控制系統(tǒng)的性能沒有損失。

1.3 模型定點(diǎn)化

由于目標(biāo)系統(tǒng)處理器F2812不是浮點(diǎn)處理器，雖然非浮點(diǎn)處理器也可以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，但是以犧牲CPU效率為代價(jià)的，為了盡可能提高CPU利用率，可以將模型中的一部分轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)模型，之所以是一部分，是因?yàn)镸atlab模型定點(diǎn)化并不是支持所有的模塊。

有2種方法可以將浮點(diǎn)模型轉(zhuǎn)成定點(diǎn)模型進(jìn)行信號(hào)處理:①手動(dòng)設(shè)定字長(zhǎng)，再借助Fixed-Point Tool工具檢查設(shè)置是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果在運(yùn)算過程中變量發(fā)生溢出，則用Fixed-Point Tool工具自動(dòng)定標(biāo);②利用Fixed-Point Advisor工具自動(dòng)定標(biāo)，再借助Fixed-Point Tool工具進(jìn)一步優(yōu)化定標(biāo)，本文采用了這種方法完成了模型的定點(diǎn)處理。

模型定點(diǎn)化之后，需要對(duì)定點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證，這時(shí)可以采用 Fixed-Point Tool。Fixed-Point Tool工具支持對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)定標(biāo)以及對(duì)定標(biāo)后的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。由于前面已經(jīng)使用Fixed-Point Advisior工具進(jìn)行了自動(dòng)定標(biāo)，這里主要對(duì)定標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行性能分析和驗(yàn)證。

分析驗(yàn)證的主要方法是對(duì)比定標(biāo)前和定標(biāo)后的系統(tǒng)性能。首先選擇待記錄的數(shù)據(jù)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以記錄數(shù)據(jù)，這里的記錄分2步，分別記錄浮點(diǎn)模型的數(shù)據(jù)(作為對(duì)比的參照)和定標(biāo)后的數(shù)據(jù)。然后將二者之間進(jìn)行對(duì)比、分析。圖5為wr的對(duì)比圖。從圖5中可以看出模型定點(diǎn)化之后，控制的結(jié)果幾乎是一樣的。

圖5 wr對(duì)比圖

1.4 目標(biāo)支持包的應(yīng)用

在做完前面的工作之后，接下來要準(zhǔn)備進(jìn)行代碼生成。Matlab與幾大公司合作推出的目標(biāo)支持包Target Support Package可以為代碼生成帶來幾大便利。

目標(biāo)支持包支持為各種微處理器、控制器及DSP執(zhí)行從Matlab模型產(chǎn)生代碼。這使用戶花費(fèi)更少的精力在生成代碼的修改上，甚至不需要修改就可以在目標(biāo)系統(tǒng)上執(zhí)行。利用目標(biāo)支持包，可以整合周邊設(shè)備和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與Matlab創(chuàng)建的算法模型、Stateflow狀態(tài)圖及Embeded Matlab語言子集，而無需編寫驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)行時(shí)的代碼。由此產(chǎn)生的可執(zhí)行文件可應(yīng)用到嵌入式硬件，進(jìn)行目標(biāo)快速原形設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)性能分析以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

本文中控制系統(tǒng)的輸入有電機(jī)的轉(zhuǎn)速、接收設(shè)定轉(zhuǎn)速，這2個(gè)分別用支持包中的QEP和SCI RCV模塊來處理，而控制系統(tǒng)的輸出用GPIO模塊來處理。應(yīng)用支持包后的控制系統(tǒng)如圖6所示。

需要說明的是，如果輸入輸出在目標(biāo)支持包中沒有對(duì)應(yīng)的模塊，可以利用RTW Toolbox或SFunction編寫硬件的驅(qū)動(dòng)模塊，再將它加入目標(biāo)支持包中。

圖6 應(yīng)用目標(biāo)支持包后的控制系統(tǒng)

1.5 代碼生成

接下來可以生成代碼了，在執(zhí)行代碼生成之前，可以先利用Embedded IDE Link建立Matlab與CCS IDE的連接。這樣做的好處是，生成代碼的同時(shí)會(huì)生成對(duì)應(yīng)的工程，并且在CCS顯示工程的同時(shí)將工程生成可執(zhí)行文件，通過仿真器下載到DSP中。

1.6 硬件測(cè)試

將前面生成的可執(zhí)行代碼，通過IDE環(huán)境下載到目標(biāo)板上，將目標(biāo)板連接到驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板通過電源接入電機(jī)。啟動(dòng)電源，可以看到通過Matlab開發(fā)的程序可以很好地完成控制任務(wù)。開機(jī)時(shí)將設(shè)定轉(zhuǎn)速設(shè)為 1 400，電機(jī)在1 s內(nèi)達(dá)到1 401，改變?cè)O(shè)定轉(zhuǎn)速后，電機(jī)也可以快速地跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)速。關(guān)掉電源，將一個(gè)飛輪接到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電機(jī)在2 s內(nèi)啟動(dòng)到1 400。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，轉(zhuǎn)差率控制的電機(jī)控制系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能，也可以使電機(jī)自適應(yīng)扭矩的變化，與在模型仿真時(shí)的效果一致。

1.7 其他

除了上面介紹的之外，在開發(fā)過程中，還可以使用model advisor對(duì)模型進(jìn)行檢查、使用SIL進(jìn)行軟件在環(huán)測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試。所有這些工具使開發(fā)結(jié)果的可靠性得到大大提高。

2 結(jié)束語

應(yīng)用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)建模并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行程序的開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，工程師可以將主要精力放在模型的建立上而不是代碼的編寫上。系統(tǒng)的測(cè)試不需要等到產(chǎn)品樣例制作完成之后才能進(jìn)行，而是在開發(fā)過程中隨時(shí)都可以進(jìn)行。基于模型的開發(fā)方式從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、開發(fā)效率上都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

［1］Documentation for MathWorks Products，R2010a［EB/OL］.［2010-01-12］. http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/helpdesk.html.

［2］The MathWorks.Inc.Embedded IDE Link 4 User’s Guide For Use with Texas Instruments’Code Composer Studio［Z］.［S.l.］:The MathWorks，2009.

［3］The Math Works.Inc.Embedded MATLAB User’s Guide［Z］.［S.l.］:The Math Works，2010.

［4］The Math Works.Inc.Real-Time Workshop 7 User’s Guide［Z］.［S.l.］:The Math Works，2010.

［5］The Math Works.Inc.Real-Time Workshop Embedded Coder 5 User’s Guide［Z］.［S.l.］:The Math Works，2010.

［6］The MathWorks.Inc.Target Support Package 4 User＇s Guide For Use with Texas Instruments C2000［Z］.［S.l.］:The MathWorks，2010.

［7］General Motors Powertrain.Automatic Code Generation Process［EB/OL］.［2010-02-03］.http://www.mathworks.com/＇automotive/iac/presentations/michaels.pdf.

［8］陳陽，徐曉光，陳躍東.基于嵌入式系統(tǒng)的電能采集終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(2):97－101.

［9］陳明，全厚德，寇超.嵌入式系統(tǒng)中低速組網(wǎng)協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010(6):74 －76.

［10］蔣承延，賈晅.基于USB的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(6):558－562.