【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(六)——六种Simulink模型架构

文章目录

前言

串行架构

并行架构

环形架构

星形架构

嵌套架构

Stateflow架构

分析和应用

总结

前言

        见《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(一)——在Simulink编辑窗口Debug》

        见《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(二)——在Function编辑窗口Debug》

        见《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(三)——在Stateflow编辑窗口Debug》

        见《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(四)——在Simulink Debugger窗口调试》

        见《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(五)——七个Simulink布线技巧》

串行架构

        如果Simulink模型中只有一条信号流，把各个模块串联了起来，那么各模块执行顺序就是信号流经的顺序。这是一种最常规的执行顺序，对于开发人员是比较基础的，所以本文不再赘述。

并行架构

        如果Simulink模型中有两条并行的信号流，那么在其中任何一条信号流内部仍然是上面的串行顺序。两条信号流之间没有依赖关系，他们的先后顺序是自动分配的，对软件的功能也影响不大。如果自己的软件中有要求，也可以通过设定模块优先级，人为调整他们的先后顺序，示例如下：

        Tips：人为设定的优先级如果跟软件运行的信号依赖关系相冲突的话，Simulink就会自动忽略设定的优先级。

        上述模型编译出来的代码，执行顺序与上图一致，代码如下：

/* Model step function */
void ExecutionOrdre_step(void)
{
  int32_T rtb_PulseGenerator;

  /* DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator1' */
  rtb_PulseGenerator = ((ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter < 50) &&
                        (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter >= 0));
  if (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter >= 999) {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter = 0;
  } else {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter++;
  }

  /* End of DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator1' */

  /* Outport: '<Root>/Out2' incorporates:
   *  Bias: '<Root>/Bias1'
   *  Gain: '<Root>/Gain1'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out2 = 10.0 * (real_T)rtb_PulseGenerator + 6.0;

  /* DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator' */
  rtb_PulseGenerator = ((ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c < 50) &&
                        (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c >= 0));
  if (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c >= 999) {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c = 0;
  } else {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c++;
  }

  /* End of DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator' */

  /* Outport: '<Root>/Out1' incorporates:
   *  Bias: '<Root>/Bias'
   *  Gain: '<Root>/Gain'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out1 = 5.0 * (real_T)rtb_PulseGenerator + 2.5;
}

        Tips：查看执行顺序，除了使用上述的“执行顺序查看其”，编译生成的C代码，还可以使用Simulink Debuger窗口，参见《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(四)——在Simulink Debugger窗口调试》

        并行模型还有一种情况是通过Mux、Signal Bus这类模块捆绑在一起的虚拟总线，他们的执行顺序跟上面的并行模型类似，示例如下：

        Tip1：为什么有的模块上面不标顺序？因为那是虚拟模块并不执行，或者有的是合并到相邻的模块中一起执行了。

        Tip2：如果将上述虚拟总线改成非虚拟总线，那么执行顺序在总线的地方就不是并行，而是串行了。因为非虚拟总线是以结构体来对待的，作为整体一次处理。

环形架构

        如果Simulink模型中有环形的信号流，那么执行顺序通常是从Memory、Delay这样的循环模块上开始的，示例如下：

        Tips：把Memory、Delay这样的模块作为软件执行的起点时，它是没有输入值的，所以输出值由模块的初始值设定的。

        上述模型编译出来的代码，执行顺序与上图一致，代码如下：

#include "ExecutionOrdre.h"
#include "ExecutionOrdre_private.h"

/* External inputs (root inport signals with default storage) */
ExtU_ExecutionOrdre_T ExecutionOrdre_U;

/* External outputs (root outports fed by signals with default storage) */
ExtY_ExecutionOrdre_T ExecutionOrdre_Y;

/* Model step function */
void ExecutionOrdre_step(void)
{
  /* MATLAB Function: '<Root>/MATLAB Function' incorporates:
   *  Inport: '<Root>/In2'
   *  Memory: '<Root>/Memory'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out5 += ExecutionOrdre_U.In2;
}

        另外一种环形模型是代数环，不提倡使用，所以不再介绍。

星形架构

        星形模型是指Simulink模型中有Data Store这样的模块，它往往有多个写入和读出模块，并且散落在各个地方。这种模型默认的执行顺序是先执行全部的写入模块，然后是全部的读出模块，最后是Memory模块，示例如下：

        上述模型编译出来的代码，执行顺序与上图一致，代码如下：

/* Model step function */
void ExecutionOrdre_step(void)
{
  /* Outport: '<Root>/Out6' incorporates:
   *  Constant: '<Root>/Constant1'
   *  DataStoreWrite: '<Root>/Data Store Write'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out6 = 2.0;

  /* Outport: '<Root>/Out7' incorporates:
   *  Constant: '<Root>/Constant1'
   *  DataStoreWrite: '<Root>/Data Store Write'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out7 = 2.0;
}

        Tip1：多个写入模块，最后一个执行的会覆盖前面写入的数据。如果想要修改写入顺序，可以通过模块优先级来调整

        Tip2：也有特殊的情况不是按照默认顺序执行的，会引发一些预想不到的Bug，参见《研发日记，Matlab/Simulink避坑指南（一）——Data Store Memory模块执行时序Bug》。

嵌套架构

        嵌套模型是指Simulink模型中有层级嵌套的子系统。常见的虚拟子系统不会影响执行顺序，所开可以把它看成透明容器来对待。另外的使能子系统和while子系统是真正意义上的子系统（Atomic子系统），他们是嵌套在上一级模型的之中的一个单独执行的整体，示例如下：

        上述模型编译出来的代码，执行顺序与上图一致，代码如下：

/* Model step function */
void ExecutionOrdre_step(void)
{
  real_T rtb_Gain4_c;
  int32_T rtb_PulseGenerator5;

  /* DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator4' */
  rtb_PulseGenerator5 = ((ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter < 50) &&
    (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter >= 0));
  if (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter >= 999) {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter = 0;
  } else {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter++;
  }

  /* End of DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator4' */

  /* Outport: '<Root>/Out8' incorporates:
   *  Bias: '<Root>/Bias4'
   *  Gain: '<Root>/Gain4'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out8 = 5.0 * (real_T)rtb_PulseGenerator5 + 2.5;

  /* Outputs for Atomic SubSystem: '<Root>/Atomic Subsystem' */
  /* DiscretePulseGenerator: '<S1>/Pulse Generator4' */
  rtb_PulseGenerator5 = ((ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_m < 50) &&
    (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_m >= 0));
  if (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_m >= 999) {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_m = 0;
  } else {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_m++;
  }

  /* End of DiscretePulseGenerator: '<S1>/Pulse Generator4' */

  /* Gain: '<S1>/Gain4' */
  rtb_Gain4_c = 3.1415926535897931 * (real_T)rtb_PulseGenerator5;

  /* DiscretePulseGenerator: '<S1>/Pulse Generator5' */
  rtb_PulseGenerator5 = ((ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c < 50) &&
    (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c >= 0));
  if (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c >= 999) {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c = 0;
  } else {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_c++;
  }

  /* End of DiscretePulseGenerator: '<S1>/Pulse Generator5' */

  /* Outport: '<Root>/Out9' incorporates:
   *  Bias: '<S1>/Bias4'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out9 = rtb_Gain4_c + 100.0;

  /* Outport: '<Root>/Out10' incorporates:
   *  Bias: '<S1>/Bias5'
   *  Gain: '<S1>/Gain5'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out10 = 6.2831853071795862 * (real_T)rtb_PulseGenerator5 +
    200.0;

  /* End of Outputs for SubSystem: '<Root>/Atomic Subsystem' */

  /* DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator5' */
  rtb_PulseGenerator5 = ((ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_a < 50) &&
    (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_a >= 0));
  if (ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_a >= 999) {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_a = 0;
  } else {
    ExecutionOrdre_DW.clockTickCounter_a++;
  }

  /* End of DiscretePulseGenerator: '<Root>/Pulse Generator5' */

  /* Outport: '<Root>/Out11' incorporates:
   *  Bias: '<Root>/Bias5'
   *  Gain: '<Root>/Gain5'
   */
  ExecutionOrdre_Y.Out11 = 10.0 * (real_T)rtb_PulseGenerator5 + 6.0;
}

Stateflow架构

        如果Simulink模型中有stateflow ，就不能使用上文的“执行顺序查看器”标注循序了，需要使用Sequence Viewer模块，参考《【研发日记】Matlab/Simulink技能解锁(三)——在Stateflow编辑窗口Debug》。

分析和应用

        上文六种Simulink架构，在模型设计开发中的应用非常广泛，尤其是应用于大型项目的开发时作用非常明显，例如一些整车控制软件，车路协同项目等等。项目中把这些架构的执行顺序烂熟于心后，不仅能为算法开发搭建出更好的架构，也能有利于软件异常问题的分析和定位，大大提高Bug查找速度，减少开发时间投入。这些Simulink模型架构主要适用于软件开发工程中，早期模型搭建和原型机调试验证的阶段。当软件开发进入后期升级迭代阶段时，也可用于装车阶段出现问题的分析排查。

总结

        以上就是本人在研发中使用Simulink设计模型架构时，一些个人理解和分析的总结，主要介绍了几种模型架构的使执行顺序，并分析了这几种架构的特点和适用场景。

        后续还会分享另外几个最近解锁的Matlab/Simulink新技能，欢迎评论区留言、点赞、收藏和关注，这些鼓励和支持都将成文本人持续分享的动力。

        另外，上述例程使用的Demo工程，可以到笔者的主页查找和下载。

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