基于Matlab的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

徐 穎

(廈門海洋學(xué)院 信息系計算機教研室，廈門 361012)

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程大致可分為需求分析、設(shè)計、執(zhí)行、測試與驗證4個環(huán)節(jié)，具有如下特點:每個開發(fā)環(huán)節(jié)孤立地進行，“好似一堵堵的墻”;開發(fā)人員不可避免地存在對需求分析與技術(shù)規(guī)范文檔的理解偏差;設(shè)計必須通過搭建硬件原型進行，開發(fā)資金投入大;實現(xiàn)只能采用手工編程的方式，難度大、效率低、錯誤多;測試與驗證只能在完成原型樣機之后才進行，查錯與修正的費用巨大，造成潛在的市場風(fēng)險;對于大型項目，需要眾多的開發(fā)人員手工編程，并且開發(fā)平臺也不統(tǒng)一，后期整合難度大，開發(fā)周期長等，限制了嵌入式DSP、MSP430單片機等的應(yīng)用普及。

本文所介紹的基于Matlab的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程與傳統(tǒng)方法并無太大差別，與傳統(tǒng)方法比較，具有如下優(yōu)勢:在統(tǒng)一的開發(fā)－測試平臺上，允許產(chǎn)品從需求分析階段就開始驗證，并做到持續(xù)不斷的驗證與測試;產(chǎn)品的缺陷暴露在產(chǎn)品開發(fā)的初級階段，開發(fā)者把主要精力放在算法和測試用例的研究上，嵌人式代碼的生成和驗證過程則留給計算機完成。本文將通過一個實際應(yīng)用系統(tǒng)——轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制系統(tǒng)來說明基于Matlab模型的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程

1.1 系統(tǒng)建模

轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖1所示。該系統(tǒng)主電路采用了SPWM電壓型逆變器，逆變器所需的PWM由控制器輸出。控制器根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差來控制PWM，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，使實際轉(zhuǎn)速可以自動跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上述系統(tǒng)控制原理，在Matlab-Simulink中建立如圖2所示的模型。

系統(tǒng)的控制部分由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運算、兩相/三相坐標變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。

仿真給定了轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時的空載起動過程，在起動后0.45 s時加載TL=65N·m。該系統(tǒng)是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，收斂是仿真計算中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，經(jīng)試用各種計算方法，選擇了固定步長算法ode5，步長取10e－50。模型仿真的結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速變化

1.2 模型離散化

前面介紹的控制模型是連續(xù)系統(tǒng)的模型，而實際的控制是由DSP來完成的，且大部分的控制器包括DSP都是數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)只能實現(xiàn)離散的控制。另外，利用實時工作站(RealTimeWorkshop)生成代碼要求不能包含連續(xù)系統(tǒng)的模型，所以必須把連續(xù)系統(tǒng)的模型用離散系統(tǒng)的模型替代。

原來的模型中包含連續(xù)系統(tǒng)模型的有給定環(huán)節(jié)、電流電壓轉(zhuǎn)換及定子電壓矢量轉(zhuǎn)角3個部分，這些模型中包含的連續(xù)模型有積分模塊、限幅積分模塊和微分模塊。篇幅所限，這里給出給定環(huán)節(jié)的離散模型，給定環(huán)節(jié)中包含了1個限幅積分模型。由于離散系統(tǒng)沒有相同的模型，所以用1個積分模型和1個限幅模型來代替原來的限幅積分模型，替換后將限幅模型的上限下限設(shè)置成與原模型相同。替換后的模型如圖4所示。

圖4 給定環(huán)節(jié)離散模型

模塊更換完成之后，再次對系統(tǒng)進行仿真與分析，可以得到同樣的結(jié)果。這說明離散后控制系統(tǒng)的性能沒有損失。

1.3 模型定點化

由于目標系統(tǒng)處理器F2812不是浮點處理器，雖然非浮點處理器也可以實現(xiàn)浮點運算，但是以犧牲CPU效率為代價的，為了盡可能提高CPU利用率，可以將模型中的一部分轉(zhuǎn)換成定點模型，之所以是一部分，是因為Matlab模型定點化并不是支持所有的模塊。

有2種方法可以將浮點模型轉(zhuǎn)成定點模型進行信號處理:①手動設(shè)定字長，再借助Fixed-Point Tool工具檢查設(shè)置是否滿足設(shè)計要求，如果在運算過程中變量發(fā)生溢出，則用Fixed-Point Tool工具自動定標;②利用Fixed-Point Advisor工具自動定標，再借助Fixed-Point Tool工具進一步優(yōu)化定標，本文采用了這種方法完成了模型的定點處理。

模型定點化之后，需要對定點的結(jié)果進行評估驗證，這時可以采用 Fixed-Point Tool。Fixed-Point Tool工具支持對數(shù)據(jù)進行手動定標以及對定標后的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)性能進行分析。由于前面已經(jīng)使用Fixed-Point Advisior工具進行了自動定標，這里主要對定標的結(jié)果進行性能分析和驗證。

分析驗證的主要方法是對比定標前和定標后的系統(tǒng)性能。首先選擇待記錄的數(shù)據(jù)并對系統(tǒng)進行仿真，以記錄數(shù)據(jù)，這里的記錄分2步，分別記錄浮點模型的數(shù)據(jù)(作為對比的參照)和定標后的數(shù)據(jù)。然后將二者之間進行對比、分析。圖5為wr的對比圖。從圖5中可以看出模型定點化之后，控制的結(jié)果幾乎是一樣的。

圖5 wr對比圖

1.4 目標支持包的應(yīng)用

在做完前面的工作之后，接下來要準備進行代碼生成。Matlab與幾大公司合作推出的目標支持包Target Support Package可以為代碼生成帶來幾大便利。

目標支持包支持為各種微處理器、控制器及DSP執(zhí)行從Matlab模型產(chǎn)生代碼。這使用戶花費更少的精力在生成代碼的修改上，甚至不需要修改就可以在目標系統(tǒng)上執(zhí)行。利用目標支持包，可以整合周邊設(shè)備和實時操作系統(tǒng)與Matlab創(chuàng)建的算法模型、Stateflow狀態(tài)圖及Embeded Matlab語言子集，而無需編寫驅(qū)動程序和運行時的代碼。由此產(chǎn)生的可執(zhí)行文件可應(yīng)用到嵌入式硬件，進行目標快速原形設(shè)計，實時性能分析以及現(xiàn)場生產(chǎn)。

本文中控制系統(tǒng)的輸入有電機的轉(zhuǎn)速、接收設(shè)定轉(zhuǎn)速，這2個分別用支持包中的QEP和SCI RCV模塊來處理，而控制系統(tǒng)的輸出用GPIO模塊來處理。應(yīng)用支持包后的控制系統(tǒng)如圖6所示。

需要說明的是，如果輸入輸出在目標支持包中沒有對應(yīng)的模塊，可以利用RTW Toolbox或SFunction編寫硬件的驅(qū)動模塊，再將它加入目標支持包中。

圖6 應(yīng)用目標支持包后的控制系統(tǒng)

1.5 代碼生成

接下來可以生成代碼了，在執(zhí)行代碼生成之前，可以先利用Embedded IDE Link建立Matlab與CCS IDE的連接。這樣做的好處是，生成代碼的同時會生成對應(yīng)的工程，并且在CCS顯示工程的同時將工程生成可執(zhí)行文件，通過仿真器下載到DSP中。

1.6 硬件測試

將前面生成的可執(zhí)行代碼，通過IDE環(huán)境下載到目標板上，將目標板連接到驅(qū)動板，驅(qū)動板通過電源接入電機。啟動電源，可以看到通過Matlab開發(fā)的程序可以很好地完成控制任務(wù)。開機時將設(shè)定轉(zhuǎn)速設(shè)為 1 400，電機在1 s內(nèi)達到1 401，改變設(shè)定轉(zhuǎn)速后，電機也可以快速地跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)速。關(guān)掉電源，將一個飛輪接到電機轉(zhuǎn)軸上，再次進行實驗，電機在2 s內(nèi)啟動到1 400。實驗結(jié)果證明，轉(zhuǎn)差率控制的電機控制系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制功能，也可以使電機自適應(yīng)扭矩的變化，與在模型仿真時的效果一致。

1.7 其他

除了上面介紹的之外，在開發(fā)過程中，還可以使用model advisor對模型進行檢查、使用SIL進行軟件在環(huán)測試、硬件在環(huán)測試。所有這些工具使開發(fā)結(jié)果的可靠性得到大大提高。

2 結(jié)束語

應(yīng)用Matlab進行系統(tǒng)建模并在此基礎(chǔ)上進行程序的開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，工程師可以將主要精力放在模型的建立上而不是代碼的編寫上。系統(tǒng)的測試不需要等到產(chǎn)品樣例制作完成之后才能進行，而是在開發(fā)過程中隨時都可以進行?；谀Ｐ偷拈_發(fā)方式從經(jīng)濟性、可靠性、開發(fā)效率上都優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

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