MATLAB嵌入式軟件開發(fā)

陳高輝 張劍鋒 林瀟 付杰霖

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336）

DSP(Digital Signal Processing)是一門以數(shù)字方式表示并處理模擬信號的理論和技術(shù)，它涉及許多學(xué)科并且廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的DSP 軟件開發(fā)需要開發(fā)者熟悉硬件構(gòu)架、原理和算法，理解DSP 廠商提供的底層各類驅(qū)動(dòng)的接口，在編譯環(huán)境中逐行編輯代碼，程序開發(fā)周期長，算法難于實(shí)現(xiàn)。

本文介紹一種基于MATLAB 的嵌入式軟件開發(fā)方式，利用MATLAB 強(qiáng)大的建模仿真功能和豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫，在Simulink平臺下搭建控制模型，編程過程采用圖形化編輯，只需要配置不同模塊的參數(shù)即可完成整個(gè)系統(tǒng)的建立，MATLAB 利用代碼生成工具可自動(dòng)生成目標(biāo)代碼。基于MATLAB 的嵌入式軟件開發(fā)是集概念設(shè)計(jì)、目標(biāo)代碼生成、仿真、調(diào)試和運(yùn)行于一體的快捷高效方式，使開發(fā)者徹底擺脫底層代碼的困擾，專注于應(yīng)用邏輯的實(shí)現(xiàn)、算法的研究和技術(shù)的突破。

1 開發(fā)工具

1.1 CCS簡介

CCS（Code Composer Studio,代碼調(diào)試器）是TI（Texas Instruments,德州儀器）推出的一套嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境，可用于開發(fā)和調(diào)試基于TI 芯片的嵌入式軟件。它包含TI 器件系列的項(xiàng)目構(gòu)建環(huán)境、源代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器、仿真器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等，支持TI 主流DSP 芯片及各類型軟件仿真器和硬件仿真器。在基于TI 的MCU 和DSP 嵌入式軟件開發(fā)過程中，CCS 是一款應(yīng)用十分廣泛的開發(fā)工具。

1.2 MATLAB簡介

MATLAB(MATrixLABoratory)是一款專業(yè)數(shù)學(xué)軟件。開發(fā)環(huán)境、數(shù)學(xué)函數(shù)庫、圖形處理系統(tǒng)、M 語言和應(yīng)用程序接口是MATLAB的五大構(gòu)成部分。MATLAB 是一個(gè)非常實(shí)用且功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，它將數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)等融為一體，在控制設(shè)計(jì)、信號分析與處理等領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用。

在嵌入式軟件開發(fā)過程中，使用MATLAB 的Simulink 工具進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，能夠使開發(fā)者脫離底層硬件的束縛，專注于邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。并且，Simulink 的圖形開發(fā)環(huán)境能夠提供更直觀的邏輯實(shí)現(xiàn)視圖，在Simulink 中直接調(diào)用對應(yīng)的功能模塊，大幅縮短了開發(fā)時(shí)間。

2 MATLAB與CCS聯(lián)合開發(fā)

MATLAB 與CCS 的聯(lián)合是基于MATLAB 應(yīng)用程序接口支持CCS 的IDE LINK。MATLAB 的代碼生成工具Embedded Coder在MATLAB 和CCS 的處理器之間提供了一種連接，可以利用MATLAB 強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能去控制一個(gè)信號處理應(yīng)用程序，也可以通過創(chuàng)建MATLAB 腳本文件或者調(diào)用函數(shù)文件驗(yàn)證需要在目標(biāo)芯片中執(zhí)行的算法。在MATLAB 中設(shè)計(jì)需求對象的控制模型，調(diào)用對應(yīng)的功能模塊，將生成的代碼導(dǎo)入CCS 進(jìn)行集成，具體實(shí)現(xiàn)方式如下。

圖1：目標(biāo)芯片參數(shù)配置

圖2：MATLAB 模型設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境參數(shù)配置

為了讓Embedded Coder 生成的目標(biāo)代碼移植到CCS 中能夠識別目標(biāo)板和仿真器，需要在CCS 中創(chuàng)建一個(gè).ccxml 格式的目標(biāo)配置文件，目標(biāo)芯片和仿真器型號在這個(gè)文件中選擇。應(yīng)用程序的編譯順序和鏈接規(guī)則需要在MATLAB 中指定，以保證生成的目標(biāo)代碼在CCS 或MATLAB 環(huán)境下都能夠執(zhí)行。在MATLAB 的命令窗口輸入xmakefilesetup，在XMakefile 用戶配置界面，配置子菜單編譯器、鏈接器、函數(shù)庫及工具路徑，完成上述參數(shù)配置后，即可完成MATLAB 和CCS 的無縫對接。

圖3：電機(jī)母線電流曲線

2.2 模型構(gòu)造與設(shè)計(jì)

在模型設(shè)計(jì)之前，需要根據(jù)硬件原理圖確定嵌入式應(yīng)用程序的處理器。Simulink 平臺中的工具箱Embedded Coder 只支持TI 的C2000，C5000，C6000 三個(gè)系列的部分芯片，目標(biāo)芯片須在這個(gè)范圍內(nèi)選擇。在Simulink 平臺下創(chuàng)建模型，將Target Preference 添加到模型中，在Target Preference 參數(shù)配置界面，可以選擇目標(biāo)芯片及系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)也可以完成芯片的內(nèi)存管理和外設(shè)配置。確定目標(biāo)芯片后，需要實(shí)現(xiàn)芯片的不同功能，TI 芯片的功能在MATLAB中以不同的模塊形式表現(xiàn)，在建模過程中，將需要使用的模塊添加到模型中，根據(jù)應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)的功能配置各個(gè)模塊的參數(shù)。通過實(shí)線或CPU 內(nèi)部邏輯可以完成模塊間的連接。在建立復(fù)雜模型時(shí)，可以嵌套子系統(tǒng)，可以靈活實(shí)現(xiàn)不同的功能，而且使得系統(tǒng)的層級更清晰。目標(biāo)芯片參數(shù)配置如圖1所示。

2.3 生成目標(biāo)代碼

在系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)完成后，直接編譯模型工程，代碼生成工具Embedded Coder 將在工程路徑下自動(dòng)生成工程的.cmd 文件、.c 文件和.h 文件。工程編譯完成后，可以在工程的當(dāng)前文件下查看已生成的目標(biāo)文件，MATLAB 生成的.c、.h 以及cmd 文件可以被導(dǎo)入到CCS 中集成，以生成最終的可執(zhí)行文件。

2.4 執(zhí)行和驗(yàn)證

Embedded Coder 生成的目標(biāo)代碼有兩種執(zhí)行方式。第一種方式是將這些代碼移植到CCS 中執(zhí)行。先在CCS 開發(fā)環(huán)境建立一個(gè)空白的軟件工程，將Simulink 生成的目標(biāo)文件（cmd、.c 及.h）移植到該空白工程中，在CCS 環(huán)境下編譯、調(diào)試和運(yùn)行。這種方式可以充分利用CCS 的集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的調(diào)試，可以利用CCS 的變量窗口、反匯編窗口、斷點(diǎn)工具、內(nèi)存管理工具等實(shí)時(shí)調(diào)試MATLAB 生產(chǎn)的目標(biāo)代碼，非常方便開發(fā)者判斷程序的變量是否符合既定要求以及程序運(yùn)行結(jié)果的正確性，這種方式充分融合了MATLAB 生成目標(biāo)代碼的快捷性與CCS 調(diào)試程序的高效性。

第二種方式目標(biāo)代碼直接在MATLAB 環(huán)境下執(zhí)行，工程編譯完成后，連接仿真器，Simulink 自動(dòng)執(zhí)行已生成的目標(biāo)代碼，可以在硬件電路板上看到程序執(zhí)行的結(jié)果。這種方式程序的編輯、鏈接和執(zhí)行都是在MATLAB 環(huán)境下完成。程序開發(fā)過程中不需要啟動(dòng)CCS，在調(diào)試程序過程需要多次修改參數(shù)時(shí)，可以避免每次修改參數(shù)后都需要將MATLAB 生成的目標(biāo)代碼移植到CCS 中的繁瑣過程。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)上文闡述，基于TMS320F28035 芯片，在MATLAB 中開發(fā)一個(gè)直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，采用開環(huán)控制方式，在Simulink平臺下建立模型，采用正弦波激勵(lì)信號，通過PWM（Pulse With Module,脈沖寬度調(diào)制）控制電機(jī)輸入電壓的幅值，AD 模塊采集電機(jī)母線電流，通過CAN（Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)）將電機(jī)母線電流傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的電流曲線，如圖2所示。

3.2 運(yùn)行結(jié)果分析

通過仿真器連接硬件電路板，選擇在MATLAB 環(huán)境下執(zhí)行已設(shè)計(jì)的程序。程序執(zhí)行后，在MATLAB 工程的文件夾下可以看到生成的目標(biāo)代碼，檢測目標(biāo)板輸出的電壓，電壓波形的幅值、頻率及占空比符合設(shè)計(jì)目標(biāo)值，通過上位機(jī)軟件觀測電機(jī)的線電流曲線，如圖3所示，與輸入的正弦函數(shù)趨勢基本一致，幅值符合預(yù)期值。這充分說明了程序的正確性以及在MATLAB 環(huán)境下進(jìn)行嵌入式程序開發(fā)的可行性與可靠性。

4 結(jié)束語

基于MATLAB 的嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)，充分體現(xiàn)了在Simulink 平臺下建模和生成代碼的快捷性和高可靠性。在搭建初始化環(huán)境后，建模過程只需配置不同功能模塊的參數(shù)即可完成程序設(shè)計(jì)，大幅提高了編程的效率；系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用圖形化編程，各個(gè)模塊、信號流之間的邏輯關(guān)系一目了然，便于理解，不容易出錯(cuò)；在MATLAB 中建立目標(biāo)模型可以利用其強(qiáng)大的仿真功能幫助檢查系統(tǒng)的正確性，這是CCS 所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

總之，在滿足一定的應(yīng)用環(huán)境下，MATLAB 與CCS 聯(lián)合編程進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，是一種不同于傳統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)的高效可靠的編程方法。