基于模型的车灯控制系统快速设计与实现

卞永明，申睿章

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

当前嵌入式系统的传统开发方式中，对于高级RISC微处理器（Advanced RISC Microprocessor，ARM）平台无论是直接操作寄存器还是使用官方提供的库函数，都是利用标准C/C＋＋语言编写源代码，然后经C/C＋＋编译器、汇编器和链接器进行编译链接，最后生成目标可执行代码.对于现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）平台也需先编写VHDL/Verilog HDL硬件描述语言，然后经仿真综合、布局布线和比特流生成.ARM和FPGA的传统开发方法需开发者手工编制对应规范的嵌入式系统产品代码，增大了产品开发难度，延长了产品的开发周期，从而影响了开发效率.

基于模型的设计方法是一种设计复杂系统的可视化方法，其核心技术是代码自动生成技术.采用MATLAB进行算法开发、系统建模和仿真验证，可以方便地修改模型设计，能够在产品设计的早期阶段评估产品的工作性能，发现设计缺陷并能够及时纠正，避免在开发后期发现问题而造成更大的损失.该方法可以避免传统方式下手写代码难度大、效率低、错误多的弊病，带来更低的研发成本、更短的研发周期和更高的产品质量.

本文采用MATLAB对车灯控制系统进行系统建模、算法开发和仿真，并分别在以ARM和FPGA为核心的硬件平台中验证.

1 基于模型的开发流程

基于模型的开发流程如图1所示.确定需求后，在MATLAB/Simulink平台下搭建系统模型（.mdl），仿真满意后通过MATLAB生成工程文件代码 （.c.h 或 hdl），在 集 成 开 发 环 境 （Integrated Development Environment，IDE）中进一步完成代码的编译、链接，或综合、实现，生成可执行的文件（.hex或.elf），最后下载到目标板上运行验证.

图1 基于模型的开发流程Fig.1 Model-based development process

2 设计目标与开发平台

2.1 设计目标

设计一个控制软件，用于控制轿车车厢灯.用车门的状态（开门或关门）来控制轿车车灯的状态（灯亮或灯灭）.

系统功能要求：

（1）当一个或多个车站被打开时，车厢灯被点亮.

（2）在车厢里有一个手动开关，可以选择如下3种亮灯模式：① 灯暗模式——门开时灯也不会亮；② 门模式——由门的传感器决定灯是否亮；③灯亮模式——灯被点亮.

（3）当车门从外面锁上时，关灯.

2.2 开发平台

系统建模、算法开发和仿真均使用MATLAB2011a，其中针对ARM平台MATLAB需正确安装RapidSTM32模块集.RapidSTM32是一种针对STM32系列微控制器开发的Simulink目标模块库和设备驱动程序的工具套件［1－2］.STM32系列微控制器基于ARM Cortex－M3内核，是一款专为嵌入式应用而开发的内核，具有高性能、低成本、低功耗的特点.

ARM与FPGA开发平台的比较如表1所示.

3 控制系统建模与仿真

系统建模使用MATLAB中的Simulink与Stateflow模块.Simulink是 MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境.在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统.Stateflow是有限状态机的图形工具，它可以用于解决复杂的逻辑问题，用户可以通过图形化工具实现在不同状态之间的转换.Stateflow可以直接嵌入到Simulink仿真模型中，并且在仿真的初始化阶段，Simulink会把Stateflow绘制的逻辑图形通过编译程序转换成C语言，使二者有机地结合在一起.

表1 ARM与FPGA开发平台比较Tab.1 ARM and FPGA development platform

完整的模型如图2所示，分别使用两个脉冲发生器来模拟锁门（解锁）和开门（关门）的动作.脉冲发生器1的周期为20ms，脉冲宽度为10ms，延迟设为5ms；脉冲发生器2的周期为10ms，脉冲宽度为5ms，延迟设为3ms.由于状态图中定义的锁门（LockDoor）、开门（OpenDoor）为布尔型变量，故采用数据类型转换（Data Type Conversion）模块对数据类型进行转换.

图2 仿真模型Fig.2 Simulation model

模型中Chart（Stateflow的状态图）用图形化的方式完成控制系统的内部逻辑，如图3所示.状态图可分解为3大模块：车门控制模块（DoorControl）完成对车门的有关控制；开关模式控制模块（SwitchControl）对手动开关的状态识别，判断系统的当前模式；灯控制模块（LightControl）完成车灯开关状态的切换.

在仿真的过程中，系统运行的当前状态会高亮显示，方便检查逻辑是否正确［3］.图4为将手动开关置于门模式时的仿真输出波形.电平为1表示高，电平为0表示低.由输出波形可观察到，当车门未锁并打开时灯亮，当车锁或车门关闭灯不亮，这符合控制逻辑.

图3 状态图Fig.3 StateFlow Chart

图4 测试输出波形Fig.4 Output waveform

4 自动代码的生成与验证

在传统的开发流程中，算法经仿真验证可行后，需由人工用C语言或硬件描述语言重新在硬件上实现，加大了工作量，延长了开发周期.但在基于模型的设计中，可由上述仿真模型自动生成代码［4］.

4.1 ARM 平台

仿真通过后，将控制输入与输出用实际目标板所使用的硬件端口替换，设置系统时钟等参数，建立如图5所示的模型.主要工作是定义对应硬件平台的输入、输出端口和系统工作的时钟频率.

自动代码生成之前需针对硬件平台配置代码生 成 （Code Generation），进 入 Simulink 的Simulink Configuration Parameters，单 击 Code Generation进入配置界面.具体配置如下：

图5 与ARM硬件相关联的模型Fig.5 real hardware model for ARM

图6 自动生成的ARM工程文件Fig.6 ARM project file automatically generated

在Code Generation界面点击Build.Matlab将根据设置自动生成STM32相关源文件与链接文件.

在MDK软件中新建工程并添加上述生成的代码，直接编译、链接，即生成可在目标板执行HEX文件.下载HEX到目标板上，测试通过.

4.2 FPGA平台

同理对于FPGA平台，在仿真模型中进入Simulink的仿真配置参数（Simulink Configuration Parameters），单击 HDL 代 码 生 成 （HDL Code Generation）进入配置界面.具体配置如下：

选定生成代码的目标文件夹，单击Generate即可在指定目录生成.v和.do文件.

上述模型生成的.v文件可以直接加入FPGA工程中使用，.do文件可用于modelsim仿真.在Quartus II中建立工程，经检验可行.

5 结论

通过实验验证了应用MATLAB软件进行系统建模，并在此基础上进行程序开发的可行性.其优势如下：

首先，设计者可以利用SIMULINK友好的可视化建模环境和MATLAB强大的仿真功能对设计的系统进行建模仿真验证，降低了应用门槛.

其次，经过仿真验证的算法不需使用手工重新编码，减少了重复劳动，工程师可以将主要精力放在模型的建立上而不是代码的编写上，提升了效率，节省了时间.

第三，同一模型可针对不同硬件平台生成对应代码，软件设计可与硬件设计同步并行开发，提高了设计的灵活性.

［1］余新栓.基于MATLAB的STM32软件快速开发方法［J］.单片机与嵌入式系统应用，2011，11（10）：46－48.

YU Xinshuan.Rapid development of STM32software based on MATLAB modeling［J］.Microcontrollers ＆ Embedded Systems，2011，11（10）：46－48.

［2］高炜，张江滨.基于Simulink与硬件的实时数据采集系统的实现［J］.电网与清洁能源，2012，28（3）：36－39.

GAO Wei，ZHANG Jiangbin.Realization of real-time data acquisition system based on Simulink and hardware［J］.Advances of Power System ＆ Hydroelectric Engineering，2012，28（3）：36－39.

［3］张威.Stateflow逻辑系统建模［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

ZHANG Wei.Stateflow logic system modeling［M］.Xi’an：Xidian University Press，2007.

［4］胥京宇.消除隔阂，提升效率——MATHWORKS推出基于MATLAB生成HDL代码的产品［J］.世界电子元器件，2012（5）：66－67.

XU Jingyu.Eliminate barriers，improve efficiency—The MATHWORKS launched generate HDL code based on MATLAB［J］.Global Electronics China，2012（5）：66－67.