一種支持Cortex-M3的Simulink自定義目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常廣暉，陳 誠，吳 越，王宇欣，劉樹勇

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院, 武漢 430033)

0 引言

Matlab/Simulink被廣泛應(yīng)用于工程教育，特別是控制類課程?？刂评碚摰牡南到y(tǒng)建模、特性分析及控制器設(shè)計(jì)都可以在Matlab/Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)[1-3]。而另外一方面，控制理論在實(shí)際物理系統(tǒng)中的生根落地，離不開微控制器(MCU, microcontroller unit)編程以及將其與物理系統(tǒng)的集成過程。實(shí)現(xiàn)控制算法的主要工具是C和C++編譯器，設(shè)計(jì)實(shí)際的控制系統(tǒng)，必須具備扎實(shí)的控制理論知識(shí)。而基于Simulink的控制算法的設(shè)計(jì)與最終C或C++控制算法實(shí)現(xiàn)之間的鴻溝，往往使的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，尤其是各種智能控制算法逐步走向?qū)嵱玫慕裉?，這個(gè)問題顯得格外突出。

Simulink環(huán)境下的Embedded Coder工具箱，提供了將Simulink模型或Matlab程序直接轉(zhuǎn)換為C和C++代碼的功能[4-8]。更近一步為實(shí)現(xiàn)與物理系統(tǒng)的交互集成，還需要Simulink模型對(duì)數(shù)字和模擬輸入/輸出等外設(shè)以及其他MCU特性的直接支持[9]。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可以通過開發(fā)第三方的Simulink目標(biāo)工具箱來實(shí)現(xiàn)。目前主要有dSpace，xPC Target前者價(jià)格昂貴，后者僅僅是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的PC機(jī)解決途徑，而且兩者往往只能進(jìn)行硬件在環(huán)的半物理仿真驗(yàn)證，很難作為最終的控制器應(yīng)用到實(shí)際嵌入式控制系統(tǒng)。

Cortex-M3是ARM公司的新一代32位低成本、高性能通用微控制器內(nèi)核，它引入了大量最新設(shè)計(jì)，出色地平衡了強(qiáng)計(jì)算能力、低功耗和低成本之間的矛盾，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。很多芯片制造商正在生產(chǎn)Cortex-M3內(nèi)核的MCU，其中意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F1系列MCU就是其中杰出的代表。目前支持Cortex-M3 MCU的Matlab/Simulink第三方目標(biāo)主要有用于ST Discovery開發(fā)板的Embedded Coder支持包、用于ST Nucleo開發(fā)板的Simlink Coder支持包、STM23-MAT/TARGET，前兩種目標(biāo)僅支持GNU GCC編譯器，后者還需要STM32CubeMX軟件包的支持，開發(fā)相對(duì)復(fù)雜，主要的共同缺點(diǎn)是：它們都是封閉的，無法實(shí)現(xiàn)功能的自行擴(kuò)展。為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種開放式的STM32F1XTarget目標(biāo)系統(tǒng)，并給出軟、硬件設(shè)計(jì)方案。硬件電路上支持工業(yè)嵌入式控制常見的輸入輸出通道及網(wǎng)絡(luò)通信功能[10]，目標(biāo)軟件通過自定義Simulink模塊封裝的形式給出各功能硬件驅(qū)動(dòng)程序。通過目標(biāo)系統(tǒng)文件控制代碼的生成過程將自動(dòng)生成的代碼文件通過XML文件讀寫的方式集成到標(biāo)準(zhǔn)Keil MDK V5工程模版上去。通過該實(shí)時(shí)目標(biāo)進(jìn)行嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)，首先建立整個(gè)控制系統(tǒng)的Simulink模型并進(jìn)行仿真分析，仿真通過后對(duì)控制器的輸入、輸出通道驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置來替換建模仿真當(dāng)中被控對(duì)象模型，然后利用Embedded Coder代碼生成機(jī)制，實(shí)現(xiàn)控制器和硬件驅(qū)動(dòng)代碼的自動(dòng)生成。代碼生成完畢后自動(dòng)后臺(tái)調(diào)用Keil uVision5編譯器對(duì)代碼進(jìn)行編譯鏈接等操作，全程不需要人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)控制程序的一鍵式下載。

1 自定義目標(biāo)嵌入式控制電路板設(shè)計(jì)

在一般工業(yè)嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)中，常用的物理反饋通道包括數(shù)字輸入、模擬輸入、頻率輸入，控制輸出通道包括數(shù)字輸出、模擬輸出、PWM輸出等，通信總線則包括以太網(wǎng)、CAN總線、USART等。為了提高STM32F1XTarget目標(biāo)系統(tǒng)的適用性，其配套的嵌入式控制電路板包含以上全部物理通道。電路板采用核心板+底板結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)方案。核心板采用ST公司的Cortex-M3內(nèi)核STM32F103ZET6作為MCU，在此基礎(chǔ)上集成DM9000BI以太網(wǎng)通信電路和FLASH存儲(chǔ)電路等，底板主要是各類物理通道電路，電路板總體組成如圖1所示。

圖1 STM32F1XTarget目標(biāo)工具箱的驅(qū)動(dòng)模塊

2 自定義目標(biāo)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F1XTarge是完全開放并可以擴(kuò)展的，所有的代碼和配置文件，如Matlab代碼、模板、配置等可以作為源代碼使用，并可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充。STM32F1XTarget基于uCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它使用Keil MDK V5來編譯生成的源代碼。目標(biāo)編譯此后生成完整的支持Keil MDK IDE的項(xiàng)目文件，有了這些項(xiàng)目文件，在不運(yùn)行Simulink模型或開發(fā)自己的模塊時(shí)，也可以手動(dòng)編譯和/或調(diào)試生成的代碼。Simulink塊庫包含兩組功能塊:一類是MCU自帶硬件資源驅(qū)動(dòng)塊；另一類是功能擴(kuò)展模塊。第一類模塊包括：DIO，ADC，DAC， PWM驅(qū)動(dòng)，編碼器輸入，TCP/UDP、RS485、CAN網(wǎng)絡(luò)通信等。第二類模塊包括倒立擺模型、LQR控制器等主要是控制對(duì)象和控制算法模塊，可以自行擴(kuò)展。STM32F1XTarget同時(shí)支持具有Simulink模型代碼生成功能的Simulink Coder和Embedded Coder。要生成、編譯、鏈接和下載一個(gè)Simulink模型的C代碼，只需要一個(gè)步驟點(diǎn)擊Simulink工具欄上的Build一鍵即可部署到配套的電路板上。

圖2 STM32F1X目標(biāo)自帶硬件資源模塊

圖3 STM32F1X目標(biāo)功能擴(kuò)展模塊

2.1 STM32F1X目標(biāo)代碼生成原理

將Simulink模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行二進(jìn)制文件的原理工作流程如圖4所示。

圖4 Simulink模型轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼的工作流程

Simulink Coder或Embedded Coder首先從Simulink模型生成rtw文件[11]。rtw文件是一種模型的特定文本表示文件格式。在自定義目標(biāo)tlc文件(目標(biāo)語言編譯器文件)的配置下，目標(biāo)語言編譯器(TLC)會(huì)生成幾個(gè)c/h文件和一個(gè)Make文件，與此同時(shí)這個(gè)過程會(huì)受到hook文件調(diào)用的控制。

STM32F10X目標(biāo)代碼自動(dòng)生成過程由以下幾個(gè)tlc文件控制：stm32f1x.tlc用于Embedded Coder或stm32f1x_grt.tlc用于Simulink Coder的起點(diǎn)。從rtw到c文件的轉(zhuǎn)換過程中，TLC提供了幾個(gè)鉤子來定制代碼生成過程。STM32F1XTarget主要使用兩個(gè)鉤子：after_make用于代碼處理進(jìn)程和更新編譯信息文件，exit用于創(chuàng)建系統(tǒng)工程文件并將生成的代碼添加到工程中。

整個(gè)過程可歸納為以下幾個(gè)步驟:

1)TLC使用當(dāng)前Matlab工作路徑將所有生成的文件存儲(chǔ)在一個(gè)文件夾中，該文件夾的名稱使用Simulink模型名和’_stm32f1x_rtw’后綴，例如Invertedpendulum_stm32f1x_rtw。在此過程中，Simulink 提供的tlc文件用于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Simulink模塊。對(duì)于每個(gè)非simulink模塊，STM32F1XTarget提供自定義的的tlc文件。除了由tlc文件生成的c/h文件之外，還基于makefiles模板stm32f1x.tmf創(chuàng)建了一個(gè)makefile。這個(gè)makefile需要一個(gè)額外的make include文件，該文件在第2步中描述的鉤子函數(shù)中生成。

2)在步驟1)之后，在鉤子調(diào)用after_make期間，創(chuàng)建一個(gè)特定目標(biāo)文件夾。將所有生成的文件復(fù)制到該文件夾中，并生成一個(gè)特定于stm32f1x的make include文件。這包括文件非常類似于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的gcc使用的makefile。

3)在執(zhí)行exit鉤子時(shí)，會(huì)通過項(xiàng)目工程模板生成模型對(duì)應(yīng)的工程文件，并通過命令行自動(dòng)調(diào)用Keil MDK V5軟件，自動(dòng)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行編譯生成一個(gè)hex可執(zhí)行文件。

4)hex可執(zhí)行文件通過ST-link下載器下載到目標(biāo)嵌入式電路板的MCU中。

2.2 STM32F1X目標(biāo)控制文件設(shè)計(jì)

TLC通過執(zhí)行目標(biāo)系統(tǒng)中的控制文件來控制代碼生成過程。設(shè)計(jì)目標(biāo)控制文件目的是為了設(shè)置代碼生成過程中的目標(biāo)參數(shù)、定制用戶代碼、調(diào)用Keil uVision5等 ，STM32F1X目標(biāo)控制文件主要包括：stm32f1x.tlc、stm32f1x_file_process.tlc、stm32f1x_callback_handler.m、stm32f1x_make_rtw_hook.m。系統(tǒng)TLC文件stm32f1x.tlc是通過修改Simulink標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)目標(biāo)文件(ert.tlc)來實(shí)現(xiàn)，用來實(shí)現(xiàn)指定TLC配置變量、設(shè)定自定義目標(biāo)選項(xiàng)和指定tlc文件入口等功能；自定義文件處理模板stm32f1x_file_process.tlc用于組織代碼生成的格式，生成的全部代碼文件的格式都應(yīng)與模板文件一致；回調(diào)函數(shù)stm32f1x_callback_handler是對(duì)一些目標(biāo)系統(tǒng)常用默認(rèn)設(shè)置項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，比如：針對(duì)嵌入式開發(fā)需要將步長(zhǎng)設(shè)置為硬件支持的固定步長(zhǎng)并禁止修改，設(shè)置求解器、采樣時(shí)間等。鉤子文件stm32f1x_make_rtw_hook.m用于對(duì)代碼生成的各個(gè)階段對(duì)自定義操作的處理，為了實(shí)現(xiàn)代碼生成、編譯、下載過程的一鍵式操作，主要是在exit階段通過編寫m腳本文件，自動(dòng)調(diào)用并指導(dǎo)Keil uVision5來實(shí)現(xiàn)。

2.3 STM32F1X目標(biāo)系統(tǒng)代碼組件設(shè)計(jì)

代碼組件指封裝各類設(shè)備驅(qū)動(dòng)或各類控制算法的自定義Simulink模塊，要實(shí)現(xiàn)自定義的Simulink模塊，需要以下元素:一塊封裝、一個(gè)S函數(shù)文件、一個(gè)tlc和C代碼混合而成的tlc文件[12-13]。塊封裝定義了在Simulink模型編輯器中顯示的模塊的外觀，定義了在塊掩碼對(duì)話框中可用的輸入?yún)?shù)。它還定義模塊的標(biāo)題、模塊幫助文本和幫助菜單條目。模塊參數(shù)連接模塊塊與S函數(shù)，即一個(gè)由C語言實(shí)現(xiàn)的二進(jìn)制的mexw64文件。和與S文件同名的tlc文件。在STM32F1XTarget中，S函數(shù)主要描述模塊的行為:輸入和輸出端口的數(shù)量和類型，檢查參數(shù)并準(zhǔn)備將這些參數(shù)傳遞給TLC編譯器。

tlc文件是tlc代碼、類似腳本的語言和代碼片段形式的C代碼的混合物[14-15]。腳本代碼控制和組織C代碼片段在生成的C文件中怎樣和在哪里放置.tlc文件主要包含三個(gè)功能:Setup、Start和Output。Setup函數(shù)控制包含額外的頭文件和源文件，Start函數(shù)執(zhí)行一次以生成初始化代碼，Output在每個(gè)simulation循環(huán)中調(diào)用一次。即使名字是輸出,函數(shù)也必須處理通過Simullink傳送到輸入端口的輸入值。例如Digital Output模塊以上3種函數(shù)代碼如下：

%function Setup(block, system) void

%assign hFile = LibCreateSourceFile("Header", "Custom", "%")

%assign HW_Lib_cFile = LibCreateSourceFile("Source", "Custom", "%")

%if (EXISTS(::__STM32F10X_GPIO__) == 0)

%assign :: __STM32F10X_GPIO__ = 1

%openfile tmpBuf

include "stm32f10x_gpio.h"

%closefile tmpBuf

%

%

%endif

%endfunction

%function Start(block, system) Output

%assign nPars = SIZE(SFcnParamSettings.Bits,1)

%assign isByte = SFcnParamSettings.IsByte

%assign nextChannel = 0

%assign port = getPort(SFcnParamSettings.DIOPort)

%if ISEQUAL(port,"PORTA")

%assign port = "PORTA"

%assign ddr = "DDRA"

%else

%assign port="PORTB"

%assign ddr = "DDRB"

%endif

%if isByte

% = 0x00;

%else

%foreach idx=nPars

%assign bitIdx = CAST("Number",SFcnParamSettings.Bits[idx])

%assign rhs = setBitVal(ddr, idx, 0)

% = %;

%assign nextChannel = nextChannel+1

%endforeach

%endif

%endfunction

%function Outputs(block, system) Output

%assign Channel = 0

%foreach idx = nbr_pins

%assign pin = CAST("Number",%)

%assign y = LibBlockOutputSignal(%, "", "", 0)

%assign y_type = LibBlockOutputSignalDataTypeName(Channel, "tRealPart")

% = *%_%;

%assign Channel = Channel + 1

%endforeach

%endfunction

3 基于自定義目標(biāo)的嵌入式控制器開發(fā)實(shí)例

倒立擺是一個(gè)典型的不穩(wěn)定非線性系統(tǒng)，是控制領(lǐng)域檢驗(yàn)各種控制策略有效性的典型控制對(duì)象。為了驗(yàn)證STM32F1XTarget目標(biāo)系統(tǒng)的有效性，利用該目標(biāo)設(shè)計(jì)一級(jí)直線倒立擺的嵌入式控制器。首先通過Matlab2018b中的SimscapeMultibody工具箱建立了與實(shí)驗(yàn)室倒立擺物理特性一致的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，為了推導(dǎo)其LQR控制器，在平衡點(diǎn)將模型線性化為：

(1)

其中:x為小車的位移，θ為擺桿旋轉(zhuǎn)角度，u為小車的作用力。

根據(jù)Riccati代數(shù)方程，得到倒立擺LQR控制器K=[10.0 6.171 22.128 2.625]，為了克服實(shí)際位移、角度測(cè)量中的噪聲干擾在LQR控制器前端增加卡爾曼濾波狀態(tài)觀測(cè)器[16-20]，將上述倒立擺模型及控制器模型在Simulink環(huán)境下集成，得到的系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

圖5 倒立擺控制仿真模型

經(jīng)過仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器可以有效的進(jìn)行穩(wěn)擺控制，接下來通過STM32F1XTarget目標(biāo)工具箱的驅(qū)動(dòng)模塊快速替換建模仿真當(dāng)中的倒立擺模型，所用模塊如表1所示。

表1 倒立擺控制嵌入式目標(biāo)所用模塊列表

對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置后的控制器模型如圖6所示。

圖6 帶硬件驅(qū)動(dòng)配置的控制器模型

接下來在Simulink配置對(duì)話框中，選用STM32F1XTarget.tlc系統(tǒng)目標(biāo)文件，硬件類型選擇ARM Cortex類型，仿真設(shè)置為定步長(zhǎng),步長(zhǎng)為0.005(即5 ms)，設(shè)置好之后就可以將使用build命令利用Embedded Coder一鍵生成嵌入式控制工程如圖7所示，工程自動(dòng)編譯下載到配套的嵌入式控制板中。整個(gè)過程不需要用戶編寫任何C語言代碼。

圖7 生成代碼圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在基于自定義目標(biāo)的實(shí)際倒立擺的控制試驗(yàn)中，上位計(jì)算機(jī)通過Simulink的TCP/IP Receive模塊接受嵌入式控制電路板實(shí)時(shí)上傳的小車位移和擺桿角度兩個(gè)數(shù)據(jù)并顯示，同時(shí)與運(yùn)行的仿真體數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 小車位移的實(shí)物與仿真對(duì)比

圖9 倒立擺角度的實(shí)物與仿真對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于模型設(shè)計(jì)的控制算法通過自動(dòng)代碼生成直接移植到嵌入式控制器，幾乎取得了同仿真一致的控制效果，所設(shè)計(jì)的自定義目標(biāo)有效可行，使嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)潔高效。

5 結(jié)束語

STM32F1XTarget的開發(fā)是為了改善和簡(jiǎn)化MCU在傳感器/執(zhí)行系統(tǒng)等嵌入式控制系統(tǒng)等模塊中的使用，工具箱所提供的模塊涵蓋了配套嵌入式電路板所支持的各類硬件驅(qū)動(dòng)。利用STM32F1XTarget目標(biāo)軟件嵌入式電路板配套使用，可勝任大部分工業(yè)嵌入式控制應(yīng)用，使開發(fā)者僅僅關(guān)注算法的開發(fā)，不用把大量的精力投入到底層硬件設(shè)計(jì)和C語言的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。通過倒立擺實(shí)際穩(wěn)擺控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了使用MBD方法簡(jiǎn)化了嵌入式控制器的設(shè)計(jì)過程，減少了設(shè)計(jì)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，相比通過手動(dòng)編寫代碼設(shè)計(jì)控制其而言，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間提高了設(shè)計(jì)效率。該MDB方法流程為其它復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)提高了很好的借鑒。