Simulink与STM32基于MBD模型的开发方法

xinyuanliu

Simulink与STM32基于MBD模型的开发方法 [复制链接]

本帖最后由 xinyuanliu 于 2020-9-25 13:09 编辑

本文首先通过一个简单的Simulink模型生成代码，然后将代码copy到一个STM32工程中去编译软件。最后将软件下载到STM32F407中，通过串口输出Simulink计算的结果。

阅读本文需要有一定的STM32开发调试经验和Simulink代码生成经验。关于Simulink代码生成可以参考我的专栏《Simulink代码生成》。

文章目录

1 问题引入

博主在《Simulink代码生成》专栏的博客中，通过将模型生成代码，然后研究C代码的逻辑和结构。但是，在汽车ECU软件开发的过程中，代码并不是最终产物，还需要将代码编译成可执行文件，刷入控制器中。过程如下示意图：
在这里插入图片描述
如果自己在家学习MBD，想要验证一下自己生成的代码到底能不能在硬件中跑起来，首先就需要一个目标硬件。这个硬件当然不能是公司项目用的TC27X以及刷新工具，因为价格太贵了，只为了学习MBD犯不着花这么大价钱。所以博主选择了创客们比较喜欢的STM32开发板来验证模型开发的结果，只需要一个STM32开发板和ST-LINK下载工具。

最后通过串口验证了Simulink生成的代码能在STM32中正确的跑起来，Simulink与STM32联合开发就算是成功了。

2 集成方案

后文会通过一个例程，将Simulink生成的代码添加到STM32工程中进行编译。例程的方案如下：
1）在STM32的main.c主函数中定义一个全局变量Demo_Input，作为Simulink模型的输入接口；
2）在Simulink模型demo.slx中建模实现将Demo_Input输入接口乘以2，然后作为Demo_Output输出；
3）在信号线上定义输入和输出的Storage Class，配置Embedded Coder和目标硬件；
4）在main.c主函数中调用Simulink生成的step函数；
5）通过串口打印出Demo_Input和Demo_Output全局变量的数值，观察Simulink的代码是否成功的将输入放大了2倍；
在这里插入图片描述

3 建模与编程过程

本章节会详细地讲解博主从零开始建模和编程，直到控制器跑起来，并打印出正确的结果。

3.1 Simulink模型搭建

根据上一章的方案介绍，Simulink模型里面就是简单实现了将输入放大两倍的功能。具体搭建过程如下：
1）打开Simulink模型，建立一个Inport模块、一个Outport模块和一个Gain模块。将Gain模块的放大系数设置为2，并用信号线将三者连接。
在这里插入图片描述
2）右键点击Inport和Gain之间的信号线，点击properties，打开该信号线的属性面板。

2）将属性面板中的Signal Name填写为Demo_Input。

3）切换到Code Generation，将Storage Class选为ImportedExtern，然后点击OK。
在这里插入图片描述
4）对于输出的信号线也做2~3的操作，但是Storage Class要改成ExportedGlobal。

对于Storage Class可以参考以前的博客《Simulink代码生成： Storage Class配置》，博主不再细说。
5）OK以后可以看到信号线上出现了设置好的名字。
在这里插入图片描述
6）双击Inport模块，将Data Type设为single，模型的single类型在代码中对应的就是float类型。

3.2 代码生成配置

紧接着上一个小节。

1）打开Simulink配置，配置离散求解器、代码生成的目标文件，以及目标硬件。
在这里插入图片描述

关于Embedded Coder配置和目标硬件配置，这里不再赘述，可以参考博客《Simulink代码生成： Embedded Coder配置》和《Simulink代码生成：目标硬件配置》。

2）Ctrl + B生成代码后，可以简单地看一下接口和step函数。在demo.c文件中先是定义了输出接口Demo_Output变量，然后在step函数中将Demo_Inport乘以2再赋值给Demo_Output。
在这里插入图片描述
在demo_private.h头文件中，对输入接口Demo_Inport进行了外部声明。通过这种外部声明，demo.c中就可以引用main.c文件中定义的Demo_Inport。

3）在模型目录下会生成一个demo_ert_rtw文件夹，其中包含了生成的源文件和头文件。这1个源文件和5个头文件会在后文加入到STM32工程之中。
在这里插入图片描述

3.3 STM32工程搭建

1）首先从STM32开发板教程中拷贝一个《跑马灯实验》的工程出来，在此基础上修改其中的代码。博主这里用的是正点原子的STM32F407开发板及其配套教程。这里没有自己从头开始写主函数是因为移植stm32的库函数会比较复杂，不是本文的重点内容。
在这里插入图片描述
2）打开\HARDWARE文件夹，在其中新建一个demo文件夹，并把Simulink生成的1个源文件和5个头文件拷贝进去。

3）打开USER文件夹下的LED.uvprojx项目文件，把demo.c添加到工程目录中。

4）把demo模型生成的头文件路径添加到环境配置中。
在这里插入图片描述

3.4 STM32的main.c文件修改

将main.c文件修改如下

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"

#include "demo.h"  //包含demo.h头文件才能访问其中的函数和全局变量

float Demo_Input;  //定义demo.slx模型的输入端口

int main(void)
{ 
	Demo_Input = 0;		//定义Demo_Input初始值为0
	delay_init(168);	//初始化延时函数	
	uart_init(115200);	//串口初始化波特率为115200
	demo_initialize();  //调用demo.slx模型的初始化函数
	
	while(1)
	{
		Demo_Input = Demo_Input + 1;	//Demo_Input每个周期加1
		
		demo_step();		//调用demo.slx模型生成的step函数
		
		printf("Demo_Input = %f;Demo_Output = %f;\r\n\r\n",Demo_Input,Demo_Output);//串口打印Demo_Input,Demo_Output
		
		delay_ms(1000);     //延时1000ms
		
	}
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

这里对代码做一些简单的解释：

3.4.1 #include “demo.h”

#include "demo.h"是为了让main.c文件能够通过demo的头文件访问到demo.c的函数。因为在后面的代码中，main函数中要调用demo_step函数和Demo_Output全局变量。

3.4.2 float Demo_Input;

在main.c中定义了全局变量Demo_Input，使得demo.c可以通过demo_private.h中访问到。这样的话，Demo_Input全局变量就传递到了demo.c中进行计算了。

3.4.3 demo_initialize()

在while(1)循环之前先调用一下demo_initialize();初始化函数，将Demo_Output初始化为0.

3.4.4 Demo_Input = Demo_Input + 1；

让每个while循环中，Demo_Input的值加1。

3.4.5 demo_step();

调用了step函数，对Demo_Input的数值做乘以2的计算，再赋值给Demo_Output。那么通过模型的放大2倍，Demo_Output应该一直是Demo_Input的两倍。也就是说，Demo_Input的输出值是0,1,2,3…，Demo_Output的输出值是0,2,4,6…。

3.4.6 printf()

printf把输入Demo_Input和输出Demo_Output通过串口打印到电脑上。

3.5 软件编译、串口打印

将STM32工程重新编译，并通过ST-LINK下载到硬件中。

通过串口，可以打印出输入和输出的值：

在这里插入图片描述
从图中可以看出，串口打印的输入每隔1秒钟会加1，输出一直是输入的2倍。从而验证了模型的2倍增益效果已经体现在整个STM32工程中了。

4 总结

虽然demo模型和STM32工程都比较简单，但是本文在我的所有系列博客中，是具有重要意义的。
首先，本文把MBD的流程从模型到代码，拓展到了模型到代码到可执行文件，并且能够刷到硬件中去验证模型的正确性。
其次，通过本文的方法，可以把控制策略和寄存器配置剥离开来，通过全局变量作为底层和应用层沟通的桥梁。
最后，本文为MBD实战打下了基础，也就是说以后可以通过MBD的方法去开发遥控小车或者四旋翼飞行器之类的创客制作，而不用去通过C代码实现复杂的控制算法。