基于Matlab的STM32軟件快速開發方法

余新栓

（陜西理工學院 電氣工程系，漢中 723000）

余新栓（講師），主要研究領域為嵌入式系統應用、計算機測量與控制。

引 言

在嵌入式應用軟件設計中，開發人員應該運用現代軟件工程思想和先進的軟件開發方法，快速完成軟件的開發和維護工作［1］。STM32系列微控制器是一款基于ARM Cortex－M3內核的高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用產品。目前，編寫STM32應用程序主要有兩種方式。大部分學習使用STM32的用戶都從固件庫函數開始，通過使用ST公司提供的固件庫中的庫函數來配置CPU，建立工程后調用片內資源的各種功能。另外一些用戶不使用或很少使用庫，通過直接操作寄存器的方式使用STM32。上述方法需要花費一定的精力熟悉固件庫，或者要求熟悉眾多的寄存器結構及其定義，程序開發效率較低。

Matlab是由美國Mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的計算環境，在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C語言）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。利用工具箱擴展 Matlab環境，可以解決應用領域內特定類型的問題［2］。本文介紹針對嵌入式ARM Cortex－M3內核STM32微控制器的目標模塊庫，并通過實例說明基于Matlab建模的STM32軟件快速開發方法。

1 RapidSTM32blockset技術特性

RapidSTM32是一種針對STM32系列微控制器開發的Simulink目標模塊庫和設備驅動程序的工具套件。RapidSTM32在高性能的圖形編程語言、STM32微控制器應用之間架起了一座橋梁。該模塊庫利用MathWorks公司的Real－Time Workshop嵌入式編碼器的代碼生成能力，直接自動產生程序代碼，實現了數字IO、USART、PWM、ADC的等功能程序和工程的自動生成。其主要目標是幫助用戶（尤其是嵌入式系統初學者）實現諸如實時事件驅動、卡爾曼濾波等復雜的系統算法應用程序，而不需要了解底層的設備配置或調試。借助該模塊庫，用戶能夠利用可視化的交互式程序設計環境，不用手工編寫C或匯編語言代碼，就可以將在Matlab／Simulink下的建模算法翻譯轉換為基于STM32微控制器的嵌入式系統程序。

2 STM32軟件快速開發方法

2.1 STM32軟件開發環境

為保證軟件的統一性、一致性、可操作性和版本的連續性，并能夠在最小環境下開發成功，需要合理配置相關軟件。經實驗驗證，在Microsoft Windows XP SP2下使用RapidSTM32系統最低軟件配置如下：

◆ Matlab 2009a（version 7.8）

◆ Simulink 2009（version 7.3）

◆ Real－Time Workshop 2009（version 7.3）

◆ Real－Time Workshop Embedded Coder 2009 （version 5.3）

◆ RealView MDK for ARM（version 4.0）

◆ Microsoft.Net Framework（version 3.5）

配置完成后，在RapidSTM32開發模塊官方網站http：／／www.aimagin.com下載 RapidSTM32blockset，解壓后在Matlab 2009下打開并安裝RapidSTM32blockset即可。

2.2 STM32軟件快速開發過程

利用RapidSTM32，基于Matlab的STM32軟件快速開發過程包括建模、代碼生成、工程編譯、運行調試等環節，如圖1所示［3］。這里重點介紹根據建模與代碼生成方法。

圖1 基于MATLAB的STM32軟件開發過程

2.2.1 建模與仿真

按照上面方法成功安裝了目標庫后，打開系統仿真工具箱Simulink，在庫瀏覽器中就會看到針對嵌入式ARM Cortex－M3STM32微控制器的目標模塊庫RapidSTM32 blockse。在Matlab 2009下為STM32軟件建立一個mdl文件。其中一個系統仿真模型中可以有一個或多個圖模塊。為了仿真STM32嵌入式軟件系統，首先需要加入系統時鐘設置和相應的STM32功能模塊模型。然后根據硬件目標板和系統工作環境的情況為STM32的功能模塊模型合理設置參數，比如DAC模塊的引腳安排、輸出數據來源等。對應于實際系統，在Simulink環境中用多個子模塊建立嵌入式系統軟件模型。

2.2.2 生成代碼

根據算法在Matlab／Simulink中建模并完成系統仿真后，選擇RealView MDK作為生成語言的種類，用Build model命令將所建立的模型轉換成MDK C代碼，會產生用于建立工程的多個.C文件和.h文件。選擇Keil μVision4作為目標嵌入式系統的軟件編譯環境。

用RealView MDK編譯環境構建工程，把模型生成的嵌入式系統軟件C語言代碼在KeilμVision4環境下編譯通過，下載到目標嵌入式系統的STM32中運行，觀察代碼運行情況，并與手工代碼運行情況進行對比。對生成的軟件程序完成工程進行編譯，編譯結果下載到目標系統中執行，可以滿足系統功能要求。

3 應用實例

實際工程中經常需要產生滿足一定要求的信號波形。下面的實例說明如何通過模型化設計方法，利用Rapid－STM32模塊庫自動生成C語言代碼，快速實現控制STM32的DAC模塊的應用方法。本設計實例中，讓STM32的DAC產生y（t）＝1.0＊sin（w＊t）＋2函數波形。

3.1 利用Matlab生成波形數據

首先編寫產生上述數學函數波形的運算式并運行。在Matlab命令窗口運行下面的運算式：

運行后得到繪制波形的各個參數，刪除掉說明信息文字后將計算波形數據整理成如下數組表達形式：［2.0000 2.0314 2.0628 2.0941 2.1253 2.1564 2.1874 2.2181 2.2487 2.2790 ……］。

3.2 利用Matlab Simulink設計程序模型［4］

在Simulink Library Browser窗口里，選擇File／New／Model命令，打開模塊設計窗口，新建一個模型并保存為sin＿boxing.mdl。打開 Matlab／Simulink窗口，從Simulink中選擇示波器加入到sin＿boxing模塊設計窗口，從Rapid－STM32庫中分別選擇Device Configuration下的系統時鐘設置與On－chip peripherals下的任意函數發生器模塊加入sin＿boxing模塊設計窗口工作區，最后將各元件連接。

選擇 Simulation／Configuration Parameters命令，在Configuration Parameters窗口的Real－Time Workshop項目設置中，將Target selection選項中選擇System target file為rapidstm32.tlc，Language選項設置為C。在 Real－Time Workshop／rapidstm32／options項目設置中將輸出文件交叉編譯工具選擇為RealView MDK。

接下來設置各模塊參數，完成系統時鐘設置和DAC參數設置。設置DAC Mode為Arbitrary DAC1，將上面步驟中生成的數據復制到DAC數據欄，根據信號頻率將采樣時間設置為0.000 1s。所有參數設置完畢后，連續運行兩次Update Diagram命令兩次后保存。參數設置完成后構建的STM32嵌入式系統模型如圖2所示。

圖2 完成參數設置的STM32DAC仿真模型

3.3 利用模型仿真生成應用程序

運行模型后，可以觀察到如圖3所示的輸出波形，說明模型正確。在Matlab文件路徑窗口確定生成代碼輸出路徑后，在 Tool菜單下單擊 Real－Time Workshop／Build model命令開始自動生成MDK工程文件及代碼，命令窗口中開始輸出各種代碼文件生成信息，直至輸出如下信息形式，表示代碼文件生成過程結束。

圖3 軟件模型仿真輸出波形

按照前面確定的代碼文件輸出路徑，就可以發現自動生成的各種文件，如圖4所示。在MDK將生成的文件編譯成可執行文件下載到STM32目標板即可順利執行。

圖4 生成的部分文件

4 結 論

① 針對STM32微控制器目標系統的軟件開發，利用專用模塊庫建立嵌入式系統軟件仿真模型，實現系統軟件代碼自動生成。與手工編寫代碼的開發周期相比，大大縮短了STM32系統軟件的開發周期，節約了時間成本，加快了開發進度。

② 使用具有可視化、交互式程序設計環境，把圖形化的算法與模型設計方法應用于ARM Cortex－M3內核的STM32系列微控制器嵌入式軟件開發，降低了STM32系列微控制器程序設計難度，降低了軟件工程師的勞動強度。

［1］劉玉良，李剛，康凱.基于MATLAB的嵌入式系統軟件開發［J］.天津大學學報，2008，41（5）.

［2］http：／／www.mathworks.com／matlabcentral／newsreader／view＿thread／255878.

［3］http：／／www.aimagin.com／.

［4］Stephen J Chapman.MATLAB編程影印版［M］.2版.北京：科學出版社，2003.