嵌入式微控制器的自動代碼生成

　它不僅包括功率級的設計，還包括控件的開發，這些控件通常在微控制器上實現。很少有開發人員在所有學科上都具備同樣的技能，能夠以同樣高的質量水平設計系統的每個部分。像我一樣的電氣工程師通常不是受過教育的軟件開發人員。在學習期間，他們中的大多數人都用C或腳本語言開發過小型程序，但只有少數人參與過大型軟件項目并學會遵循結構化編程的原則。

　　然而，在工作中，電氣工程師經常被分配對嵌入式微控制器進行編程的任務，這是有充分理由的：他們在如何控制電力電子電路方面擁有經驗，并且了解整個系統的要求。此外，他們對微控制器的片上外設（例如 PWM 發生器和模數轉換器 (ADC)）有很好的了解。不利的一面是，對于典型的電氣工程師來說，當代碼編譯沒有錯誤、系統按預期運行以及所有測試都通過時，產品開發就完成了。特別是在當今上市時間較短的壓力下，幾乎沒有內在動力去編寫可在產品的整個生命周期內重用和維護的代碼。

　　因此，手寫的代碼庫通常缺乏模塊化、清晰的結構和適當的文檔。因此，對于外部人員來說，從代碼中找出它執行的功能變得很困難。即使是控制代碼的作者自己，在幾年后重新審視自己的代碼時也可能會摸不著頭腦，想知道他們在編寫代碼時的想法是什么。這就是為什么我們應該支持電氣工程師所擅長的領域，即電子和控制設計，并將軟件架構和實現留給經驗豐富的軟件開發人員或自動生成代碼的計算機程序。

　　將控件建模為框圖

　　繪制控制系統自然的方法是表示信號流的框圖。他們以清晰易懂的方式可視化底層控制概念。屬于在一起的功能單元可以封裝在子系統中，以隱藏復雜性并創建層次結構。大多數控制系統仿真軟件都是基于框圖，這并不奇怪。

　　雖然仿真軟件 PLECS 主要是為了加速電力電子電路的仿真而開發的，但它還為控制系統的設計提供了廣泛的信號處理模塊集合。PLECS 庫包括連續和離散傳遞函數、不連續和非線性模塊以及坐標變換、鎖相環 (PLL) 和 PID 控制器等電力電子應用經常需要的元件。作為示例，圖 1 顯示了太陽能逆變器中使用的電流控制器的框圖。

　　圖 1. 具有諧振積分器和抗復位飽和的電流控制器

　　與類似工具一樣，PLECS 中設計的框圖可以轉換為等效的 C 代碼。圖 2 顯示了 PLECS 為圖 1 中的控制器生成的代碼的摘錄。生成的代碼可以在不同的目標系統（例如微控制器）上編譯和執行。從框圖模型自動生成控制代碼，而不是僅僅使用模型進行離線仿真并手動實現代碼，具有一些顯著的優點：

　　控制工程師可以專注于功能而不是其實現。

　　不需要經驗豐富的嵌入式軟件開發人員。

　　即使在開發過程的后期也可以對模型進行更改。

　　該模型本質上提供了清晰且的文檔。

　　模型及其實現始終保持同步

　　我不想隱藏這樣一個事實：使用模型作為定義控制代碼的基礎也有一些缺點：

　　該模型必須包含有關數據類型、采樣率和執行任務的額外信息。

　　在處理框圖時，用于跟蹤更改的 Diff 工具仍處于起步階段。

　　用戶放棄了對實現細節和低級優化的控制。

　　并非所有低級功能都可以通過模型組件獲得。

　　盡管自動代碼生成有很多好處，但只有從一開始就加速和簡化開發過程，它才會被接受。然而，節省的時間很大程度上取決于所使用的工具鏈。在 Plexim，我們付出了巨大的努力，使使用 PLECS 和 PLECS Coder 的嵌入式代碼生成成為一種簡單直觀的體驗。

　　訪問 I/O 外設

　　當開始微控制器項目時，令人頭疼的通常不是控制算法本身的實現，而是配置和訪問微控制器的 I/O 外設。在開始在中斷驅動的控制環路內生成 PWM 并獲取 ADC 讀數之前，您需要學習 1000 多頁的技術手冊。新手不僅要應對如此陡峭的學習曲線。即使您已經了解某個微控制器系列的詳細信息，在處理另一家制造商的微控制器時，您可能需要幾乎從頭開始。盡管競爭制造商的微控制器可能提供類似的外設，但命名約定和實現細節可能截然不同。

　　圖 2. PLECS 生成的控制器 C 代碼片段

　　對于涉及自動代碼生成的高效工作流程，僅將控制算法的目標無關部分從框圖轉換為 C 代碼并將生成的代碼導入特定于目標的軟件項目是不夠的。這種方法仍然需要用戶編寫和維護粘合代碼來尋址特定于目標的外設，這是一項手動且容易出錯的任務。如果需要具有一步代碼生成功能的全自動工作流程，則有關目標外設的所有信息都必須包含在模型中。外設可以在模型中由在仿真期間充當信號源或接收器的各個模塊來表示。在代碼生成過程中，這些模塊可以將特定于目標的代碼注入到項目中，以配置相應的外設并提供數據訪問。

　　圖 3. 太陽能逆變器的完整控制器模型，包括觸發器和任務管理

　　PLECS 中的目標塊

　　對于電力電子應用中常見的選定微控制器系列，Plexim 提供專用目標支持包 (TSP)，與 PLECS 和 PLECS 編碼器結合使用。這些 TSP 包含一個目標塊庫，代表各個微控制器的各種片上外設。目標塊可以通過其圓角與其他控制塊區分開。

　　每個目標塊都有一個對話框，允許用戶配置相應的硬件外設。如果是模擬輸入，用戶可以選擇 ADC 單元、輸入通道、比例、偏移和采集時間窗口。由于每次數據采集都是由事件（例如定時器）啟動的，因此用戶還可以指定觸發源。用戶無需在配置寄存器中設置各個位，而是使用自然語言選項在更抽象的級別上配置外設。盡管不同微控制器系列之間的選項可能略有不同，并且并非所有硬件資源在每個芯片上都可用，但目標塊提供的硬件抽象使得將模型移植到另一個微控制器變得非常容易。

　　PLECS 中的目標塊不僅提供對數字和模擬輸入或輸出的直觀訪問。它們還可以組合多個外設以提供更復雜的功能，例如具有斜坡補償和前沿消隱的峰值電流控制。圖 3 顯示了太陽能逆變器的完整控制器模型，包括特定于目標的外圍模塊。當前控制器子系統包含圖 1 的模型。

　　當查看目標塊的底層時，您會注意到兩種不同的實現，就像在可配置子系統中一樣。一種實現是基于文本的，并包含 Lua 腳本語言的元代碼。它用于根據對話框條目生成片上外設的代碼。另一種實現是 PLECS 模型，它在離線仿真期間模擬硬件外設的行為。對于 ADC，離線模型由觸發采樣保持元件和量化器組成。

　　代碼生成子系統

　　要利用 I/O 外設的離線模型，控件必須與目標塊一起包裝在子系統中。當代表數據源的目標模塊（例如 ADC）被放置在子系統中時，輸入端子將被添加到子系統模塊。該輸入可以連接到控制子系統外部的信號源，例如電路模型中的測量。同樣，代表數據端點的目標模塊（例如 PWM 發生器）將在子系統中創建輸出端子。該輸出可用作電源電路中半導體開關的柵極信號。將子系統中的控件分組不會對控制代碼生成產生不利影響，因為可以告訴 PLECS 編碼器僅為單個子系統生成代碼。相反，當遵循這種方法時，在將代碼部署到微控制器之前，可以使用離線仿真根據工廠模型來開發和驗證控制系統。事實上，無需修改即可使用完全相同的模型進行離線仿真和代碼生成，這確保了模型和代碼始終保持同步。圖 4 顯示了太陽能逆變器的整體電路模型，其中圖 3 中的控制器模型包含在一個子系統中。

　　基于事件的控制任務執行 當采用微控制器對電力電子系統進行閉環控制時，電流和電壓測量值的采集通常與 PWM 生成同步。同步采樣確保以盡可能低的開關諧波采集電流和電壓。在大多數數字電流控制環路中，PWM 發生器會定期觸發 ADC 以對模擬測量結果進行采樣。一旦 ADC 完成采樣量的轉換，它就會通過觸發中斷來發出新數字值存在的信號。在中斷服務程序中，使用新獲取的值計算控制算法，并將更新的占空比傳遞到 PWM 生成器。在其他配置中，

　　在 PLECS 中，我們引入了一種特殊的信號類型（如圖 3 中的棕色虛線所示）來定義和可視化觸發事件的傳播。為了對上述控制環進行建模，用戶首先需要選擇 PWM 發生器應在何種條件下發出觸發事件，例如計數器下溢或溢出。然后，將 PWM 發生器的觸發輸出連接到 ADC 模塊的觸發輸入，以控制采集時序。為了指示每次轉換完成后都調用控制任務計算，ADC 的觸發輸出終必須連接到特殊的“控制任務觸發器”塊。

　　多任務環境

　　單個控制回路通常不足以控制逆變器和驅動系統。大多數情況下，您會發現級聯結構具有快速的內部電流控制環路和用于電壓或速度調節的較慢的外部環路。雖然外環的計算可能需要一些時間，但簡單電流控制任務的計算通常很快。然而，由于電流控制是高度動態的，因此必須以更高的執行速率來執行。為了地利用微控制器的計算能力，這種級聯控制方案可以通過搶占式速率單調多任務處理來實現，其中快速電流控制任務中斷較慢的外部控制環路的計算?？刂颇Ｐ捅仨毞殖删哂胁煌蓸勇屎椭袛鄡炏燃壍亩鄠€任務。在PLECS中，這種劃分是使用每個幀都包含一組塊的幀以圖形方式執行的。每個框架引用編碼器設置中定義的特定任務。如果您的目標是多核處理器，您可以將各個任務分配給不同的。在圖 3 中，黃色框將單獨的任務分配給功率點跟蹤器 (MPP) 和電壓調節器，它們以比控制系統其他部分更低的采樣率運行。

　　圖 4. 太陽能逆變器的電源電路，其控件包含在代碼生成子系統中

　　要在同一任務中計算的塊不一定必須放在同一幀中。由于多個幀可以引用相同的任務，因此將塊分配給不同的任務不會干擾控制系統的邏輯結構。其他嵌入式代碼生成工具采用子系統或特殊塊來將各個任務彼此分開。然而，為了不同的目的而重復使用這些現有的結構可能會令人困惑。相反，PLECS 中的任務幀讓用戶立即識別出一組共享特定于實現的屬性的塊。