C语言作为一种通用的编程语言，被广泛应用于工程领域的项目开发中，而Simulink则是一款功能强大的仿真软件，被广泛应用于控制系统、通信系统等领域。将两者结合起来进行联合仿真，可以发挥各自的优势，实现系统级的仿真与分析。在工程领域，联合仿真技术的发展已成为提高系统设计效率和质量的重要手段。然而，对于大型C语言项目与Simulink模型的联合仿真来说，如何实现高效的交互和步长控制一直是一项挑战。传统基于S函数集成的方式虽然能够实现C与Simulink之间的通信，但存在着诸多局限性，如需改写C函数、工程体积增加等问题。今天，我们将介绍一种创新的方法，利用共享内存技术，将C语言项目与Simulink模型紧密集成，实现高效的联合仿真，并深入探讨这种方法的优势和具体实现细节。传统的基于S函数的方式虽然可以实现C与Simulink之间的通信，如下图所示：这种方式通过将原始C函数与S function结合到一起，根据C函数原始的输入输出接口配置S function 的输入输出接口，进而将C 函数整合到Simulink环境中，但存在着一些明显的缺点：修改工程体积增加：需要将C函数改写为S函数，这不仅增加了工程体积，还增加了集成的复杂性和工作量。局部性限制：S函数通常需要在Simulink模型中调用，导致C函数的局部性受限，无法灵活地在工程中任意位置使用。性能损失：S函数的调用会引入一定的性能损失，特别是在大型项目中，可能会影响仿真的准确性和效率。传统方式：（2）基于Simulink提供的C Caller模块调用C函数MATLAB/Simulink在2020a版本以及之后的版本中，引入了C Caller模块，该模块能够将C语言代码嵌入到Simulink模型中，并调用自定义的C函数。它可以与Simulink模型中的其他模块交互，并在仿真期间执行C代码。这个模块非常适用于在Simulink模型中集成外部C代码、进行性能优化或者实现一些复杂的计算逻辑。- C Caller模块：可以接受多个输入，并返回多个输出，允许与Simulink模型中的其他模块进行数据交互。
- C代码实现：编写C代码（如函数），并通过设置模块的路径将其链接到Simulink模型中。
- 自定义代码的嵌入： C Caller模块是Simulink与C语言之间的桥梁，使得自定义的计算或者外部库可以直接应用于Simulink仿真中。
如果C代码实现了高效的算法，使用C Caller模块可以显著提高仿真的运行速度，特别是在需要大量计算的情境下。另外，C Caller 允许用户将Simulink内建模块无法实现的自定义功能（如复杂的数学运算或特殊的硬件控制逻辑）嵌入模型，且而无需重写代码。然而， C Caller模块中的C代码不能直接在Simulink环境中调试，因此调试过程可能会变得较为复杂，通常需要在外部工具中进行调试。另外，该方式需要合适的编译环境来编译和链接C代码，可能会遇到与平台或工具链的兼容性问题。
为了克服传统方式的局限性，我们提出了一种创新的方法，即基于共享内存的联合仿真。而不是采用C caller这种面向项目函数数量小且文件体量几乎没有的集成方式，也不需要使用Legacy Code Tool改写C函数或者编译为S函数。共享内存通信作为一种高效的数据交换方式，为C与Simulink之间的交互提供了便捷的途径。通过在两者之间建立共享内存通信通道，可以实现数据的实时交换和同步，从而实现联合仿真的目的。该方法不仅避免了修改C函数和增加工程体积的问题，还具有以下优势：零修改原C/C++工程：几乎可以做到对工程零修改，不需要修改C函数或编译为S函数，大大降低了集成的复杂性和工作量。灵活性与自由度：共享内存通信方式无需局部调用，C函数的位置不受限制，可以在工程中任意位置使用，实现了更大的灵活性和自由度。高效实时性：基于共享内存的通信方式具有低延迟、高吞吐量的特点，能够实现数据的实时传输和处理，满足对实时性要求较高的系统仿真需求。在介绍具体实现细节之前，先说一下这个开发这种联合仿真形式的技术背景，作者在开发自动驾驶应用程序软件一般为C、C++程序，然而在车辆一般是采用Simulink MBD方式，在使用Simulink构造测试用例、复杂的被控对象非常好用。为此，作者苦苦在网上查找是否有开发相关的便捷方式，结果找到几个相关的工具软件，例如FMU、CosiMate、NI TestStand、AVL Model.Connect等工具，然而这些工具不能灵活定义，而且提供的API也开放程序也不高，仔细一想，联合仿真无非就是应用之间相互传递数据，而且现在也有很多应用之间的通信方式，为此，受到这些软件的启发，决定自行编写联合仿真程序，在这些联合仿真软件中，一般与Simulink的联合仿真通常通过应用数据通信技术来实现。这种技术允许将第三方应用程序和Simulink中的模型连接起来，以便在仿真环境中执行联合仿真。总结联合仿真共同特点如下：：模型建立: 首先，您需要在C APP（代指第三方仿真程序）和Simulink中分别建立您的模型。这些模型可能涉及到不同的物理领域，比如机械、电气、液压等。接口定义: 接下来，您需要定义C APP和Simulink之间的接口，确定哪些信号将在两个环境之间传递。这可以通过定义数据交换接口或共享变量来实现。桥接连接: 然后，您需要使用C APP提供的桥接工具或接口将两个环境连接起来。这通常涉及编写一些代码来处理数据交换和通信。联合仿真: 一旦连接建立好，您就可以在C APP中启动联合仿真。在仿真过程中，C APP和Simulink中的模型将同时运行，并且通过接口进行数据交换，以实现系统级的仿真和分析。通过这种方式，您可以利用C APP和Simulink各自的优势，实现跨领域的联合仿真，从而更全面地分析和优化系统行为。
1）任务调度问题使用信号量进行同步：在共享内存中设置信号量，用于同步任务的执行顺序。每个任务在开始执行前需要获取信号量，执行完成后释放信号量。这样可以确保任务按照预期的顺序执行。 制定任务优先级：对不同的任务分配不同的优先级，确保高优先级任务能够及时执行。可以使用操作系统提供的任务调度器来管理任务的优先级。
2）时序同步问题：采样周期同步：在共享内存中添加时间戳，记录每个数据的产生时间。在数据传输时，确保数据的时间戳与实际产生时间一致。Simulink模型可以根据时间戳来处理数据，以保持与C项目的时序同步。 时间同步策略：使用统一的时间同步策略，例如使用全局时钟源或者网络时间协议（NTP）来确保C项目和Simulink模型的时钟同步。这可以减少由于时钟差异而引起的时序问题。 数据处理延迟：考虑到数据传输和处理可能存在的延迟，设计合适的数据处理策略，确保C项目和Simulink模型能够正确处理延迟数据。 时序校正：在联合仿真的过程中，定期对时序进行校正和调整。根据实际情况，调整任务的执行顺序、采样周期等参数，以确保两者之间的时序同步。
这些方法在设计和实现过程中，需要根据具体的应用场景和系统要求进行调整和优化。同时，充分的测试和调试也是确保系统稳定运行的重要步骤。 为了实现共享数据，技术点如下： 1）共享内存通信设置：在C语言项目和Simulink模型之间建立共享内存通信通道，以实现数据的实时交换和同步。2）数据传输与步长控制：使用共享内存通信技术，可以实现C与Simulink之间的数据传输和步长控制，保证两者的时序同步和数据交互的准确性。3）自动生成接口模块：通过定义好通道接口名称和序号，Simulink接口模块能够自动化生成，大大提高了集成的效率。整个联合仿真的C APP 主函数运行框架如下所示：初始化所有输入输出接口链表，包括与Simulink交互的接口和程序内部的接口。包括定义数据名称、方向和指针等。为方便接口定义，通过C项目中声明的接口，自动化生成接口描述XML文件，供MATLAB脚本自动生成Simulink接口模块。在while循环中，首先检查Simulink是否在运行状态，如果是，则进行数据交互。通过共享内存通信技术，批量读取Simulink传入的信号，并进行数据类型转换和单位转换。根据不同的调度周期，执行相应的数据交互任务，包括5ms、10ms、20ms和40ms的数据交互。在数据读取和处理完成后，设置Simulink可写入数据，以便Simulink读取C程序计算得到的结果。根据不同的调度周期，执行相应的任务。任务包括不同步长的主函数执行，以及相关的数据交互函数执行。通过判断不同步长任务的触发标志，保证了任务的时序同步和数据交互的准确性。通过判断Simulink是否在运行状态，控制仿真的启动和暂停。在仿真结束时，记录仿真运行时间，并重新初始化参数，准备进行下一次仿真。在程序开始时，输出一些提示信息，以便用户了解程序运行状态和仿真状态。输出调试信息，如任务触发次数等，方便调试和性能优化。这个主程序框架通过循环实现了程序的持续运行，并根据Simulink的状态进行相应的数据交互和任务调度。同时，通过共享内存技术，实现了C程序与Simulink之间的高效通信，保证了仿真的准确性和稳定性。整体结构清晰，逻辑合理，是一个较为完整的与Simulink自动化联合仿真相关的主程序框架。上述框架不仅避免了调用S function或C caller等集成方式所带来的工程体积增加和修改工作量，更重要的是，几乎可以做到对工程零修改。这种方式非常适合大型C、C++或C#项目与Simulink集成测试使用场景，能够快速集成到基于模型MBD的设计中。在Simulink中的信号能够直接注入到C工程的任何位置，实现工程中的变量改写。而只需在C工程中定义好通道接口名称和序号，Simulink与Visual Studio交互的Simulink接口模块能够自动化生成，方便快捷，不用手动调整共享内存地址。这个联合仿真框架为Simulink与大型C语言项目之间的交互和步长控制提供了一套完整的解决方案。与传统的集成方式（如Stateflow或C Caller）相比，它不需要修改C函数或将其编译为S函数，几乎可以实现零工程修改。这种方法特别适合于大型C、C++或C#项目与Simulink的集成测试，可以快速将大型项目工程集成到基于模型的设计中，实现基于模型的设计（MBD）。通过基于Windows共享内存机制，实现了Simulink与Visual Studio之间的数据传递，数据传输量大且快，通信延迟很小。C项目中的信号可以直接在Simulink中查看，无需额外的数据处理。同时，Simulink中的信号也可以注入到C工程的任何位置，实现工程中的变量改写。只需在C工程中定义好通道接口名称和序号，Simulink与Visual Studio之间的接口模块就可以自动生成，省去了手动调整共享内存地址的麻烦，提高了集成效率。此外，该框架还支持C项目多个步长任务的控制与数据交互，适用于大型基于C的嵌入式项目控制器策略应用层的快速验证，并且支持多任务调度，满足了实际工程中的需求。通过共享内存技术实现C与Simulink的联合仿真，我们为工程师们提供了一种创新的思路和解决方案。在未来的工程实践中，我们相信这种方法将会越来越受到重视和应用，为工程技术的发展注入新的活力和动力。感谢您阅读本文，如果您对C与Simulink共享内存联合仿真有任何疑问或者想法，欢迎在评论区留言，期待进一步交流和探讨！C APP在Visual Studio中的工程浏览：
MATLAB自动化建模与接口文件示例浏览：
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