基于Simulink浮點(diǎn)模型和定點(diǎn)模型的問(wèn)題研究

鄒凡 朱宏翔 袁凱

摘 要：文章介紹了MATLAB/Simulink的自動(dòng)代碼生成的實(shí)現(xiàn)方法和過(guò)程。以某新能源汽車油門控制模型為例，重點(diǎn)解釋了浮點(diǎn)模型和定點(diǎn)模型之間的區(qū)別，并通過(guò)自動(dòng)生成的代碼和CodeWarrior編譯生成的可執(zhí)行文件證明定點(diǎn)模型相對(duì)于浮點(diǎn)模型所占內(nèi)存少。

關(guān)鍵詞：MATLAB/Simulink;自動(dòng)代碼生成;浮點(diǎn);定點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U462? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-131-03

前言

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，企業(yè)對(duì)電子控制系統(tǒng)的性能與開(kāi)發(fā)效率提出了越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)手寫代碼的開(kāi)發(fā)方式周期長(zhǎng)、調(diào)試難度大，已經(jīng)很難適用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在新型電子控制系統(tǒng)的發(fā)展中，出現(xiàn)了一套成熟的汽車電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式—V模式開(kāi)發(fā)。利用MATLAB/Simulink工具搭建控制模型，在設(shè)計(jì)初期就可以直觀地反映設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于閱讀和修改，使模型的更新與代碼保持一致，而且沒(méi)有實(shí)施過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，并且可以處理很復(fù)雜的模型系統(tǒng)。其中，自動(dòng)代碼生成技術(shù)可以直接從圖形模型生成目標(biāo)處理器上的代碼，不僅保證了代碼與模型的高度一致性，也使得控制器開(kāi)發(fā)更加高效有序。

1 Simulink建模及代碼生成

1.1 Simulink建模

近幾年來(lái)，在汽車電子控制領(lǐng)域，Simulink已經(jīng)成為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的軟件之一。由于Simulink是采用模塊組合方式來(lái)建模，從而可以使得用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型，特別是對(duì)復(fù)雜的不確定非線性系統(tǒng)更為方便。

1.2 自動(dòng)代碼生成技術(shù)

在Simulink模型中要進(jìn)行自動(dòng)代碼生成，至少有3部分需要配置：解算器（solver）;目標(biāo)硬件設(shè)置（hardware imple mentation）;系統(tǒng)目標(biāo)文件（system target file）。

一般情況下，Simulink的模型只生成應(yīng)用層代碼，其應(yīng)用層軟件與底層軟件結(jié)合只能通過(guò)手動(dòng)集成。現(xiàn)基于Freescale的一款芯片自主開(kāi)發(fā)出一鍵式自動(dòng)代碼生成技術(shù)，通過(guò)編程自動(dòng)集成應(yīng)用層軟件與底層軟件，即可將控制模型自動(dòng)生成可執(zhí)行代碼。

對(duì)于解算器（solver），其類型需設(shè)置為固定步長(zhǎng)。由于模型是用于生產(chǎn)嵌入式代碼，并下載到單片機(jī)中運(yùn)行，而單片機(jī)總是以時(shí)鐘源提供的穩(wěn)定頻率運(yùn)行，無(wú)法進(jìn)行變步長(zhǎng)運(yùn)算，所以兩采樣點(diǎn)間的時(shí)間間隔要設(shè)為固定。步長(zhǎng)的大小取決于對(duì)計(jì)算精度和速度的平衡，步長(zhǎng)越小，精度越高，而計(jì)算的速度越慢。在目標(biāo)硬件為通用的情況下，對(duì)代碼生成沒(méi)有影響，當(dāng)前設(shè)置為0.01s。

其次在目標(biāo)硬件設(shè)置（hardware implementation）中，設(shè)備供應(yīng)商（Device vendor）選擇為Freescale，設(shè)備類型（Device type）選擇為對(duì)應(yīng)的芯片型號(hào)。因?yàn)槟壳笆褂玫恼嚳刂破餍酒脚_(tái)已經(jīng)達(dá)到成熟量產(chǎn)的狀態(tài)，所以目標(biāo)硬件設(shè)置將所選芯片設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)。

再次在Code Generation界面中，將系統(tǒng)目標(biāo)文件選擇為Embedded Coder對(duì)應(yīng)芯片的.tlc文件。Embedded Coder是可生成用于嵌入式單片機(jī)的實(shí)時(shí)C代碼的編譯器。TLC文件的作用是將模型編譯出的RTW文件轉(zhuǎn)換為支持某平臺(tái)或硬件的代碼，其Template makefile選擇targetcoder.tmf。取消勾選Generate code only，否則編譯只能生成C代碼，無(wú)法生成可執(zhí)行文件。

完成以上設(shè)置后，點(diǎn)擊Build Model或者Ctrl+B快捷鍵即可生成C代碼和可執(zhí)行文件。

2 浮點(diǎn)數(shù)模型和定點(diǎn)數(shù)模型

2.1 浮點(diǎn)數(shù)模型

Simulink建立的模型默認(rèn)情況下以double型變量定義，并且參數(shù)和信號(hào)都以結(jié)構(gòu)體形式生成代碼，這會(huì)使得參數(shù)和信號(hào)在調(diào)用時(shí)都產(chǎn)生冗長(zhǎng)的代碼，降低可讀性，并加重RAM的儲(chǔ)存和單片機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

2.2 定點(diǎn)數(shù)模型

Simulink定點(diǎn)軟件支持整型數(shù)和定點(diǎn)數(shù)，它們之間的主要區(qū)別是小數(shù)點(diǎn)。在定點(diǎn)型硬件中，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。定點(diǎn)數(shù)和它們的數(shù)據(jù)類型以字長(zhǎng)、二進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)、有符號(hào)還是無(wú)符號(hào)為特征。目前整車控制器使用的為Freescale的16位芯片，其支持的是定點(diǎn)型數(shù)據(jù)，所以整車控制模型是以整數(shù)形式建模，但是其中的查表模塊（Lookup Table）因條件限制，其中的數(shù)據(jù)類型為single形式，隨著整車控制軟件功能的增加，其中的查表模塊使用的頻次增多，生成的代碼會(huì)加大對(duì)芯片內(nèi)存的占用，導(dǎo)致整車控制程序運(yùn)行效率降低。所以通過(guò)使用Fixed-Point工具，對(duì)查表模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行定點(diǎn)化（fixdt）處理。

對(duì)整車控制模型中的油門控制算法進(jìn)行定點(diǎn)化：

3 生成結(jié)果分析

基于MATLAB/Simulink生成的浮點(diǎn)型代碼和定點(diǎn)化后生成的代碼數(shù)據(jù)如下：

定點(diǎn)數(shù)是用整數(shù)表達(dá)的小數(shù)，在單片機(jī)存儲(chǔ)上面的數(shù)據(jù)時(shí)，是以整數(shù)來(lái)存儲(chǔ)，如圖7所示，數(shù)據(jù)都為uint16_T類型，此數(shù)據(jù)類型在單片機(jī)中占用2個(gè)字節(jié)，而如圖6所示，數(shù)據(jù)都為real32_T類型數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)類型在單片機(jī)內(nèi)存中占據(jù)4個(gè)字節(jié);如圖6所示，查表的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)總共是22個(gè)數(shù)據(jù)，定點(diǎn)化后是整數(shù)類型是33個(gè)數(shù)據(jù)。浮點(diǎn)型的存儲(chǔ)會(huì)占用的內(nèi)存是22*4=88個(gè)字節(jié);如果定點(diǎn)化后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存是33*2=66個(gè)字節(jié)。

而現(xiàn)在我們采用的是Freescale的16位單片機(jī)是定點(diǎn)處理器;這樣會(huì)大大的減少數(shù)據(jù)在單片機(jī)中存儲(chǔ)。

在CodeWarrior編譯器的右下方顯示（2.000000MHZ），表示晶振是2MHz，晶振后面就是時(shí)間。由圖8和圖9對(duì)比，圖8顯示的運(yùn)行時(shí)間是1197，圖9顯示的運(yùn)行時(shí)間是2780，定點(diǎn)化后運(yùn)行同樣一個(gè)算法所使用的時(shí)間只占到了浮點(diǎn)模型運(yùn)行時(shí)間的一半不到。

綜上所述，Simulink模型經(jīng)過(guò)定點(diǎn)化處理后，其代碼占用的內(nèi)存變小，程序運(yùn)行的時(shí)間也大大縮短，從而可以提高整車控制器整個(gè)程序的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了MATLAB/Simulink的自動(dòng)代碼生成技術(shù)，并著重介紹了浮點(diǎn)模型和定點(diǎn)模型生成代碼的區(qū)別。后期建立的Simulink模型可以朝定點(diǎn)數(shù)方向發(fā)展，進(jìn)一步高效的利用單片機(jī)的資源。

參考文獻(xiàn)

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