嵌入式控制系统的设计与验证正变得日益复杂。 工程师在使用仿真工具与实体硬件协同工作的同时，必须在实时性能、系统安全性和开发速度之间取得平衡。 基于模型的设计（MBD）通过支持工程师在早期阶段对算法进行仿真、测试和迭代，有效应对了这些挑战。 在设计初期对算法进行建模，基于合成数据进行仿真和结果可视化，有助于提升对系统设计的信心，并与传统以大量原型为主的工作流程相比，大幅降低了后期出现复杂问题的风险。
在瑞萨，我们很高兴地宣布：我们与 MathWorks® 合作，由 MathWorks 开发的作为 Simulink® 全新插件的瑞萨 RA 微控制器（MCU）嵌入式编码器支持包和 RH850 MCU 嵌入式编码器支持包，现已随 MATLAB® R2026a 版本正式发布。 这些支持包通常被称为硬件支持包（HSP），使工程师能够将 Simulink 模型直接部署到受支持的瑞萨 RA 和 RH850 微控制器上，大幅简化了从算法开发到嵌入式实现的过渡过程。
什么是基于模型的设计（MBD），以及为什么要使用它？
基于模型的设计（Model-Based Design，MBD） 是一种基于数学和可视化的方法，用于在 Simulink 中设计复杂系统，并在构建物理原型之前对系统进行仿真和测试。 MBD 已被广泛应用于工业自动化、机器人技术和汽车工程等多个行业。
例如，工程师在开发一款新型集成式洗烘一体机系统时，需要考虑在不同洗涤和烘干程序中应启用哪些电机、系统在不同衣物负载下（如厚重的床上用品与较轻的夏季衣物）如何运行，从而确保主滚筒电机能够高效驱动等多个因素。 在电动自行车（e-bike）系统的开发过程中，工程师必须综合考虑电机驱动、制动接口、照明控制，以及在不同路面条件和天气环境下的牵引性能。
如果不采用基于模型的设计方法，上述许多测试就必须依赖实体硬件和原型来完成。 每一次设计变更都需要重建和重新测试硬件，这不仅增加了成本，也延长了开发周期。
相比之下，通过在 Simulink 中对系统进行建模和仿真，工程师可以在设计早期阶段评估系统在不同负载和使用场景下的性能。 这能够减少设计迭代次数、降低成本，并加快产品上市时间。
从基于模型的设计到真实硬件落地
对于嵌入式系统而言，MBD 的真正价值体现在：经过验证的模型能够顺利部署到具备量产能力的硬件上。 在这一过程中，建模工具与微控制器之间的深度集成显得尤为关键。
许多开发工作通常始于以下应用领域：
- 电机控制（工业系统、HVAC、机器人）
- 汽车系统（xEV、电机运动控制、动力总成、区域控制器和域控制器）
- 实时控制应用
这些应用需要对实时行为有深入了解，有效利用MCU资源，并确保在仿真中验证过的算法在部署到实际硬件后能够按预期方式运行。
MathWorks 为瑞萨 MCU 提供的硬件支持包
为弥合仿真与嵌入式部署之间的差距，MathWorks 为瑞萨 RA 和 RH850 微控制器提供了两款专用的硬件支持包——瑞萨 RA 微控制器嵌入式编码器支持包和 RH850 微控制器嵌入式编码器支持包。 这些 HSP 使工程师能够将 Simulink 模型直接在受支持的瑞萨器件上执行、测试并完成部署。
从支持 RA6T2 电机控制 MCU 和 RH850/U2A 汽车级 MCU 开始，这些 HSP 为算法驱动开发提供了理想的切入点，适用于对实时和性能要求极高的应用场景。
MathWorks 的硬件支持包包括：
- 片上外设模块，利用瑞萨 RA 智能配置器（用于 RA 控制器）和第三方 MCAL 工具（用于 RH850 控制器）将 Simulink 模型与外设配置进行连接
- 自动化构建与部署，无需手动集成生成算法代码与驱动代码
- 自动生成量产级 ANSI/ISO C 代码，帮您将精力更多聚焦于功能实现，而非编码
- PIL（Processor-in-the-Loop）验证，确保模型与生成代码在数值上的一致性，便于查看和对比标准仿真与 PIL 仿真的结果。 同时通过性能分析功能，深入了解代码在目标控制器上的执行时间和内存使用情况。
通过这些能力，工程师可以始终保持在一个统一的、基于模型的工作流程中——从算法设计与仿真、到验证、再到最终的硬件部署。
如何快速上手
从系统级设计入手
从系统层面开始，一旦确定了需求，例如需要驱动多少个电机、控制器需要与哪些组件和子系统进行接口等，大多数工程师都会着手参考并构建符合自身需求的系统架构。 瑞萨的成功产品组合系统框图可以为工程师提供起点框架，帮助工程师专注于系统行为和控制策略的规划。 通过这些系统框图，工程师可以轻松过渡到 Simulink 等基于模型的设计环境。
以洗衣机或烘干机系统为例，电机控制器不仅需要驱动主滚筒电机，还必须与阀门、传感器以及各类安全组件进行交互。 工程师可以以系统框图为指导，将这些子系统映射到 Simulink 中，并将其与相应的 MCU 外设资源关联起来——例如模数转换器（ADC）、脉宽调制器（PWM）、通用输入/输出接口（GPIO）以及中断等，这些外设在 RA6T2 等器件上均可用。
评估与调优系统行为
在完成系统和外设的建模之后，工程师可以使用 Simulink 对实时信号进行监控，并直接调整控制参数。 通过以监控与调优模式（Monitor and Tune）运行模型，工程师能够观察系统在不同工况下的行为表现，同时修改控制器增益等参数，并且这些修改会即时反映到硬件上。 这种方式避免了每次参数调整都需要重新生成和编译代码，从而加快了调优速度。
以洗衣机或烘干机应用为例，滚筒电机在多种变化条件下都必须保持稳定且可预测的运行状态，例如不同负载重量（轻载、重载或负载不均）、加速进入高速脱水过程中的动态变化等。诸如控制增益等参数决定了控制器（如 RA6T2）对系统变化的反应能力。 通过在 Simulink 中对增益参数进行建模和调整，工程师可以直观地分析系统行为：例如，当增益设置过低时，重负载是否会导致电机响应滞后或转速下降，或者当增益设置过高时，系统是否对微小误差产生过度校正。
使用 PIL（Processor-in-the-Loop）验证设计
在完成算法开发与仿真之后，可以通过 PIL（Processor-in-the-Loop）验证来确认生成的代码能够在目标瑞萨处理器上正确运行。 在这一阶段，编译后的代码会运行在实际的 MCU 上，并将其行为与仿真结果进行对比。 PIL 验证有助于验证执行时序、内存使用情况和数值行为，弥合软件模型与硬件测试之间的差距。
部署瑞萨硬件
完成 PIL 验证之后，工程师即可将模型直接部署到瑞萨的开发板上。 借助 MathWorks 硬件支持包，代码生成和部署可通过 Simulink 一键完成，从而在多种平台（例如 RA6T2 MCU 的灵活电机控制套件和 RH850/U2A 入门套件）实现高效的快速原型开发。
总结与资源
借助 MathWorks 提供的硬件支持包，工程师可以在熟悉的 Simulink 环境中设计复杂的嵌入式系统，并高效地将其部署到瑞萨器件上。 这种基于模型的工作流程有助于减少开发迭代、提前发现问题，并加快从算法设计到量产级硬件实现的过渡过程。
第一步，探索 RA6T2 或 RH850/U2A 开发板，下载相应的 MathWorks 硬件支持包，您便能即刻开始开发基于模型的电机控制。
