基于模型的设计DSP篇

刘杰、周宇博编著的《基于模型的设计DSP篇》主要介绍了基于模型设计的建模基础，包括基于Simulink和Stateflow的建模方法；基于模型的设计MSP430/F28027/F2835DSP篇刘杰周宇博著北京内容简介本书分五个部分。第Ⅰ章为第一部分:主要介绍了基于模型设计的建模基础,包括基于 Simulink和 Stateflow的建模方法;第2章为第二部分:主要介绍了MSP430系列MCU的基于模型设计的快速开发,以及在 Protues虚拟硬件测试平台上的验证;笫3章和附录为第三部分:主要介绍F28335DSP外设模块的功能和使用方法,以及翻译整理了近100页对应外设模块的28335DSP的技术文档,作为读者加深理解这些外设模块的背景资料;第4章为笫四部分:主要介绍了基于模型设计的F28027/F2835DSP的快速开发方法;第5章为第五部分:以步进电机的控制为例,介绍了一个比较完整的基于模型设计的开发流程,主要包括需求分析、需要与模型的双向跟踪、模型的优化、浮点模型到定点模型的自动转换、软件在环测试、处理器在环测试、生成代码的优化设置、模型与代码的双向跟踪、硬件测试等,第5章为本书的核心内容和总结。本书除第三部分外,其余部分绝大多数内容为我们实验室独立完成。本书可作为汽车、航空、航夭、通信、医疗器械、新能源、机电控制、电气工程等领域的工程师从事MSP430和28XDSP系列MCU应用研究时的技术手册,也可作为高校电类专业的MSP430/F28xDSP与基于模型设计的教材。图书在版编目(CIP)数据基于模型的设计.MSP430、F28027、F2835DSP篇/刘杰著.一北京:国防工业出版社,201.8ISBN978-7-118-07605-9①基..Ⅱ.①刘.Ⅲ①单片微型计算机-微控制器-程序设计Ⅳ.①TP332.3中国版本图书馆CP数据核字(2011)第148943号※囤所草旅社出版发行(北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码100048)涿中印刷厂印刷新华书店经售开本787×10921/6印张31%字数729千字201l年8月第I版第1次印刷印数1-—4000册定价69.00元(本书如有印装错误,我社负责调换国防书店:(010)68428422发行邮购:(010)68414474发行传真:(010)68411535发行业务:(010)68472764序(一)随着嵌入式系统设计越来越复杂,工程师正面临着越来越多的挑战:比如开发的算法如何无缝扩展应用到系统开发中;系统仿真中,如何降低由于建立过程产生的误差对设计精确度的影响;如何在硬件平台上仿真设计的模型系统。为了解决这些系统开发瓶颈, Math Works公司提出了基于模型设计( Model based de-sign,MBD)的系统开发理念,其意义在于:用 Simulink模型描述系统和子系统中的物理原型,并在统一仿真环境中对整个系统进行仿真,以便及时做出设计改进。核心思想是可执行的规范、快速的控制原型设计、早期验证和代码自动生成,这已经日益成为嵌入式系统开发的主要手段Math Works公司是世界领先的技术计算和基于模型设计的软件开发商和供应商,全球拥有2200多名员工,是一家美国私营公司,成立于1984年。 Math Works公司的客户是世界各大洲100多个国家的100多万顶级技术人员,这些技术人员工作在世界上最先进的技术公司、政府实验室、金融机构以及5000多所大学,他们依靠 Math Works公司的产品和服务,因为 MATLAB和 Simulink已经成为他们进行工程项目和科学研究的基本工具。Math Works中国公司自2007年成立以来,在航空航天、汽车、通信等领域大力推广基于模型设计的理念,但无论是市场上,还是高校教学中,都没有系统的中文教材或书籍可以帮助广大技术人员,在校的研究生和高年级本科生应尽快掌握,尽可能全面学习整个MBD流程。刘杰《基于模型的设计—MSP430/F28027/F28335DSP篇》一书的出版弥补了上述的不足,尤其是在当前中国教育大力推行“卓越工程师计划”的大背景下,在大力倡导学生掌握工程界必备工具的大环境下,这样一本详细阐述工程界重要工具Simlink实现基于模型设计的图书,将会大大帮助老师和学生学习和实践高效的嵌入式系统开发。整体而言,该书的最大特色就是软硬件结合,在使用最新版本 Simulink的基础上,结合多型号板卡实现设计开发。书中不仅详细剖析了MsP430/F28027/F28335板卡功能,而且使用 Simulink演示了从建模到模型验证、从定点设计到处理器在环、从代码生成到硬件联调等诸多方面,内容充实,确实是一本学习基于模型设计进行DSP开发的较为理想的工程工具书和大学的教辅书籍。我很荣幸受邀代表 Math Works公司写序,并郑重地将其推荐给大家。基于模型设计系列教材的出版,对更新嵌入式系统开发流程,改变传统教学方法,创造互动的教与学环境,会起到很积极的促进作用。希望通过本书的出版,使更多的读者掌握 Simulink平台下DSP的基于模型设计开发过程,共同推动MBD在我国的普及和推广。Math Works中国教育业务发展总监陈炜博士2011年6月Ⅲ序(二)为了帮助用户缩短产品的开发周期,提高开发效率,德州仪器(T)公司与MathWorks公司持续合作为MsP430、C2000等系列MCU产品优化开发环境,让使用MsP430系列和F28x系列DSP实时控制微处理器的工程师可采用基于模型化的设计方法实现从需求分析到代码验证的整个开发链。 Math Works的目标支持包新增了对高性能 PiccoloMCU系列的支持。这里,32位 Piccolo系列可提供性能、闪存、模拟集成以及控制导向型外设等各种选项,可充分满足低成本与实时控制应用的不同需求。设计工程师现在可为所有2802x/F2803 x Piccolo器件自动生成 Simulink/ Stateflow算法代码,实现嵌入式系统的快速原型设计与生产部署。支持为经过验证的模型自动生成嵌入式实时C代码,基于模型设计为开发环境与实施平台之间搭建了一座桥梁,不但可帮助工程师识别并解决系统级设计问题,而且还可帮助其便捷地生成高效的C2000专用代码。现在不但可实现快速的交钥匙实施与早期验证,还可为上述领域提供高效可靠的解决方案。综上所述,基于模型的设计将 MATLAB/ Simulink/ Stateflow与T的 Code ComposerStudio集成开发环境(IDE)和C2000微控制器完美地整合在一起。这些产品的集成使您能够执行自动代码生成、原型设计和嵌入式系统开发。利用这种基于模型的设计,您就可以开发和验证控制设计和DSP算法,顺利完成从概念构思到代码实现的整个过程。这种基于模型设计的嵌入式系统开发技术,在国內还很少有人利用其进行MSP430F28027/F28335DSP等器件的应用开发。感谢刘杰对国内在基于模型设计方面所做的推动工作。我相信随着本公司和 Math Works公司对基于模型设计技术的进一步深入研究和《基于模型的设计—MSP430/F28027F28355篇》的正式出版,将大大提高软件开发效率,丰富目前国内嵌人式处理器开发模式。本书较全面地介绍了基于模型设计开发MSP430/P28xDSP的方法,是一本较好的工具书和学习基于模型设计开发MSP430/F28xDSP的教材,我郑重向各位推荐此书。徳州仪器公司亚洲大学计划部总监沈洁2011年6月前言随着电子产品集成度的不断提高以及人们对安全性、可靠性的苛刻要求,航空航天、汽车、通信、机电等产品的代码量呈爆炸式增长,传统的开发模式已经不再适应这种发展趋势。特别是在MSP430/F28027/F28335DSP等系列嵌入式器件的应用开发中,目前普遍采用的开发模式是:首先用模拟软件(如 MATLAB软件等)验证工程师们的想法;然后在自制的硬件平台上进行手工作坊式的编程、排错与调试,以期实现需求分析阶段工程师们的想法;最后才是对整个设计的系统测试。由于整个开发过程相互独立,割裂了它们之间的有机统一;此外,开发者人员较多,每个人对需求文档的理解难免存在偏差,这会造成产品功能与设计预期不符的尴尬情况。这种方式最大的弊病是:前面四个开发阶段,任何个出现问题,本次工作将以失败告终,而测试工作却恰恰在设计的最后阶段才能进行NASA在一次报告中指出,需求分析阶段出现的错误占整个开发错误的60%以上,而发现这些错误的可能性只有8%,传统方法发现错误的主要阶段是最后的测试阶段。因此利用传统方法开发新产品一般都会重复多次,既耽误了产品的上市时间,浪费了大量的人力物力,也会严重打击开发者的自信心,让这些人常常处于惶恐之中,导致项目的开发不得不终止。诞生于20世纪90年代中期的基于模型设计技术,经过10多年的发展与逐步完善已被广泛接受。近年来,国外一些大型创新项目都采用了基于模型设计这项新技术,目前显现加速发展的趋势。基于模型的开发方法是为创造新世界而诞生的,它将传统开发流程中的四个相互割裂阶段有机地结合起来,在可视化的开发平台(如 MATLAB)上,从需求分析阶段就开始验证与测试,让工程师们把主要精力投人到算法和测试用例的硏究上,让嵌入式实时C代码的编程工作留给计算机去自动完成。这样不仅加快了软硬件的开发速度,提高了生成代码的可靠性和一致性,同时也降低了工程师的入门门槛,解决了嵌入式开发工程师稀缺的难题。真正做到从概念到实现一步完成,规避新产品开发的市场风险,提振工程师们创造性劳动的信心。让我们丢掉“山寨”大国的帽子,有能力跟踪和追赶世界的最前沿技术。本书是我们实验室撰写的基于模型设计系列丛书中的一本,主要介绍了MSP430F28027/F28335DSP的快速开发方法,并给出了一个针对步进电机控制问题的比较完整的基于模型设计的开发流程。采用本书介绍的方法可以大大加快MSP430/F28027F28335DSP的开发进程,开发时间和所需成本只有传统方法的1/5~1/2。实验室已出版了两本基于模型设计的专著,较系统地讲解了 Simulink/stateflow的建模、调试与验证方法,以及用户驱动模块的创建。由于编写 inline sfunction对于初学者难度较大,本书推荐釆用T公司提供的器件读写例程或手写这些设备的驱动C代码替代用户驱动模块的编写,这样可以大大降低劳动强度、提高生成C代码的运行效率,缩短项目的开发周期。同时也提出了现有产品升级换代的解决方案,书中所设计的演示实验主要是根据实验室的现有条件和提高读者的观赏性而定的,涵盖了28x系列DSP大部分的应用领域。书中没有提及的部分,读者可以在掌握本书的基础上,参考 MATLAB软件自带的有关F28027/F28335DSP的演示实验,这些方法同样适合F2812DSP基于模型的开发。为了帮助那些不习惯阅读英文资料的读者能正确掌握F28027/F28335DsP外设模块的使用,我们整理了近1000页的T技术文档,将其翻译成了140页左右的F28027/F28335DSP外设模块的背景资料。除封面两位作者外,刘高阳、翁公羽、郭丹也参加了个别章节的撰写和翻译工作,林建材、周贵鸿、张德勇、林寒毅、杨云飞、杨元挺、陈添丁、李晗、史进、吴仪炳、李昌、李燕、胡育涛、翟朝亮、许家胜、胡泽东、朱伟龙、魏莲花、王敬卿、朱宁、李阳、于福海、周勋、张颖、万文青、施文龙、姜慧、刘绍丽、吴玉林、李泳毅、田利平、冯新凯、曹国忠、陈丽红等参加了翻译文稿的修订整理与绘图工作。本书在撰写过程中得到了T亚洲大学计划部总监沈洁、T中国大学计划部经理潘亚涛的大力支持;同时感谢 Math Works中国教育业务发展总监陈炜博土为本书所作的序言;感谢htp://www.ilovematlab.cn网站版主张延亮博土为本书提供的交流平台;感谢国防工业出版社李宝东编辑为本书的撰写提出的宝贵意见,正是大家的共同努力才促成了《基于模型的设计—MSP430/F28027F28335DSP篇》的诞生。本书的大部分内容皆由作者实验室自主创作,由于涉及MSP430系列和28xDSP系列的器件较多,无法在500多页的篇幅中进行全面论述,加上时间紧且作者水平有限,书中的错误或遗漏在所难免,欢迎读者提出自己的宝贵意见。刘杰2011年5月Ⅵ目录第1章 Math works软件简介1.1 Simulink模块库得,4福,得.暮,得,和和1.2 Simulink模型—流水灯……151.2.1新建模型中++*++++++;+++“++“;++“++1.2.2参数设置1.2.3仿真结果…………………………1.3 Simulink模型——磁场定向永磁同步电机111.3.1永磁同步电机原理………………………………………………………111.3.2永磁同步电机的矢量控制方法………………131.3.3FOC的建模与仿真161.4 Stateflow状态图……261.4.1状态图编辑器……1.4.2状态……271.4.3迁移…………………………………………………………291.4.4数据与事件……………………………311.4.5简单的调速控制331.4.6节点…31.4.7功能测试…………………………………361.4.8代码生成………………………………………………………38第2章基于模型的MSP430快速开发…422.1MSP430单片机筒介…………422.2IAR集成开发环境筒介……………………………………………432.3入门实例:发光二极管闪烁………………………………………462.3.1搭建发光二极管闪烁功能模型……………+“:;“‘2.3.2软件在环测试522.3.3代码模型142.3.4自动代码生成…5623.5虚拟硬件测试…2.4调速电机(正反转可控)602.4.1搭建电机控制功能模型2.4.2软件在环测试………………………………………………………62.4.3代码模型………702.4.4自动代码生成2.4.5虚拟硬件测试………………………………………………………752.5键盘识别……………………………………………………………762.5.1搭建键盘识别功能模型……………………772.5.2软件在环测试………………………………………812.5.3代码模型…2.5.4自动代码生成,律,建薛882.5.5虚拟硬件测试2.5.6拓展:4×4矩阵键盘2.6无刷电机………………………………………………………1012.6.1搭建电机控制功能模型…………………………1022.6.2软件在环测试………………………………………1072.6.3代码模型………………………………………1092.6.4自动代码生成……162.6.5虚拟硬件测试…ee,+,+甲·.++,+++,中++.+.++++++,+.+·118第3章C28Xx3x模块描述1223.1PE模块………12232看门狗模块( Watchdog)……………1233.3模数转换模块(ADC)……………………………………1243.4增强型脉冲编码调制模块(ePWM)3.5增强型正交编码脉冲模块(eQEP)……………………………1333.6增强型捕获模块(eCAP)…………1413.7 SCI Receive& SCI Transmit………………1453.7.1 SCI Receive模块1453.7.2 SCI Transmit模块…………………………………………………1468通用LO接口( Digital Input& x Digital Output)………………………1473.8. I Digital Input模块………………1473.8.2 Digital Output模块……………………………1483.9串行外设接口(SPI)1493.9.1 SPI Receive模块·……1493.9.2 SPI Transmit模块…………………1503.10n2C总线…………………………………………1513.10.1n2 C Receive模块…1513.10.2n2 C Transmit模块…1533.11eCAN总线………………………………………1543.11.1 ecan Receive模块………1543.11.2 e Can Transmit模块3.11.3CCP模块………中.,1583. 12 IQmath160