通过 MATLAB/Simulink 和 Arduino 学习 — 通过自制 S-Function 模块实现设备联动

Arduino 可用的设备种类繁多，但 Simulink 并不直接支持许多传感器和显示器。
因此，使用 S-Function 自制模块非常有效。
本文以 OLED 显示屏 SSD1306 为例，介绍如何自制 Simulink 专用的 S-Function 模块，并在 Arduino 上运行的步骤。

• 软件
  • MATLAB（版本：R2025a）
  • Simulink（版本：25.1）
• 应用（for Simulink）
  • Simulink Support Package for Arduino Hardware（版本：25.1.0）
• 硬件
  • Arduino Uno（或兼容板）
  • USB 数据线（用于 PC 与 Arduino 通信）
  • HC-SR04（超声波距离传感器）
  • OLED SSD1306（I2C 接口显示屏）

1. 引入 MATLAB/Simulink 与基础软件包

有关 MATLAB、Simulink 以及 Arduino Support Package 的安装，请参见上一篇文章。

2. 安装 Rensselaer Arduino Support Package Library

• 启动 MATLAB → 从菜单选择 “附加组件” → “获取硬件支持包” （将启动附加组件资源管理器）
  

• 在搜索框输入 “Arduino”，然后选择 Rensselaer Arduino Support Package Library (RASPLib)
  

• 点击 Install 并导入包

• 安装完成后，Simulink 库中将添加 “Rensselaer Arduino Support Package Library” 模块
  
  ↓
  其中包含用于 “超声波距离传感器 HC-SR04” 的模块。为了驱动 HC-SR04，将使用此模块。
  

• VCC → Arduino 5V
• GND → Arduino GND
• Trig → Arduino 数字引脚 7（示例）
• Echo → Arduino 数字引脚 8（示例）

• VCC → Arduino 3.3V 或 5V
• GND → Arduino GND
• SCL → Arduino A5（Uno）
• SDA → Arduino A4（Uno）

HC-SR04 已被 RASPLib 支持，但未找到专用支持 SSD1306 的模块，因此将通过 S-Function 模块自行创建。

关键在于，对于 Simulink 不直接支持的功能，可以调用 Arduino 库来补充。Arduino 库是用 C/C++ 编写的设备控制函数集合，可以通过 S-Function 从 Simulink 模型中调用。这样，即使是 Simulink 不支持的设备，也可以利用 Arduino 丰富的库生态系统来驱动。

在 Arduino 平台上知名的 OLED 库有以下几个：

• Adafruit_SSD1306
• Adafruit-GFX-Library

但由于可能无法在 Uno 的 Flash 空间中安装，这里采用更轻量的 U8g2_Arduino。U8g2 功能强大，但考虑到 Uno 的内存限制，这次只使用 U8x8 文本模式。

虽然 S-Function Builder 可单独使用，但在处理多个 S-Function 时，使用 Simulink 项目功能 会更加方便。

1. 创建新项目
   • 在 MATLAB 中选择 “新建 → 项目 → 空项目”
   • 保存位置即为“项目文件夹”
     

采用此方式，即使处理多个设备，也能更易整理，并提高可重用性。

1. 创建新的 Simulink 库

   • 启动 MATLAB，使用 simulink 命令打开 Simulink 库浏览器
   • 在菜单中选择 “新建 → 库” 来创建空库文件
   • 在此处添加自制模块
     

2. 在新库中放置 S-Function Builder 模块

   • 在新库中放置 “S-Function Builder” 模块
   • 生成的 .cpp 文件和 .tlc 文件将与库文件一起管理
     

3. 准备外部库

   • 确保 Arduino 使用的 Wire.h 和 U8x8lib.h 可被包含
   • 将 U8g2_Arduino 放置在 C:\ProgramData\MATLAB\thirdpartylibs\U8g2_Arduino 等目录下
   • 根据环境确认 Support Package 的路径

这次，我们简化规格，以使其在较少内存下也可运行。设计为使用 U8g2 的 U8x8 文本模式，在 SSD1306 128×64 (I²C) 上显示一行 ASCII 字符串（最多 16 字符）。

项目名称：sfun_ssd1306_u8x8_display_block
S-Function 名称：sfun_ssd1306_u8x8_display
语言：C++

• 源代码：

/* Includes_BEGIN */
#ifndef MATLAB_MEX_FILE
  #include <Arduino.h>
  #include <Wire.h>
  #include <U8x8lib.h>
  // SSD1306 128x64 via hardware I2C, no reset pin (UNO: SCL=A5, SDA=A4)
  static U8X8_SSD1306_128X64_NONAME_HW_I2C u8x8(/* reset = */ U8X8_PIN_NONE);
  static bool isDisplayInitialized_u8x8 = false;
#endif
/* Includes_END */

/* Externs_BEGIN */
/* extern double func(double a); */
/* Externs_END */

void sfun_ssd1306_u8x8_display_Start_wrapper(void)
{
/* Start_BEGIN */
#if !defined(MATLAB_MEX_FILE)
  if (!isDisplayInitialized_u8x8) {
    u8x8.begin();
    u8x8.setPowerSave(0);
    // 字体（轻量级 ASCII 字体）
    u8x8.setFont(u8x8_font_chroma48medium8_r);
    // 如有需要可指定 I2C 地址（通常的 0x3C 的 8 位表示）
    // u8x8.setI2CAddress(0x3C << 1);  // 仅在无显示时尝试
    u8x8.clearDisplay();
    isDisplayInitialized_u8x8 = true;
  }
#endif
/* Start_END */
}

void sfun_ssd1306_u8x8_display_Outputs_wrapper(const uint8_T *u)
{
/* Output_BEGIN */
#if !defined(MATLAB_MEX_FILE)
  if (!isDisplayInitialized_u8x8) return;

  // 根据输入向量长度进行调整
  const uint8_t MAX_STR = 16;

  char buf[MAX_STR + 1];
  uint8_t i = 0;
  for (; i < MAX_STR; ++i) {
    uint8_t b = u[i];
    buf[i] = (char)b;
    if (b == 0) break;
  }
  buf[(i < MAX_STR) ? i : MAX_STR] = '\0';

  // 在第 1 行 (行=0) 显示 ASCII 字符串
  u8x8.clearLine(0);
  u8x8.drawString(0, 0, buf);
#endif
/* Output_END */
}

void sfun_ssd1306_u8x8_display_Terminate_wrapper(void)
{
/* Terminate_BEGIN */
#if !defined(MATLAB_MEX_FILE)
// nothing
#endif
/* Terminate_END */
}

• 端口和参数：
  

• 外部代码：
  将所需的 “U8g2_Arduino” 使用 Git 克隆到以下路径：
  C:\ProgramData\MATLAB\thirdpartylibs\U8g2_Arduino
  Arduino Support Package 的路径为：（取决于 MATLAB 安装环境，请在各自环境中确认 Support Package 的路径）
  C:\ProgramData\MATLAB\SupportPackages\R2025a\aCLI\data\packages\arduino
  

构建 S-Function 后，将生成以下文件：

• .cpp（主体源代码）
• _wrapper.cpp（包装代码）
• .tlc（目标语言编译器用）
• .mexw64（Windows 平台二进制）

### 输出文件夹是 'C:\Users\<用户名>\Documents\MATLAB\sfun_ssd1306_u8x8_display_block'
### 'sfun_ssd1306_u8x8_display.cpp' 已成功创建
### 'sfun_ssd1306_u8x8_display_wrapper.cpp' 已成功创建
### 'sfun_ssd1306_u8x8_display.tlc' 已成功创建
### S-Function 'sfun_ssd1306_u8x8_display.mexw64' 已成功创建

此外，要在库浏览器中注册，还需准备以下文件：

• slblocks.m（必需）
• setup.m（推荐）
• INSTALL.m（可选）※在分发项目时很方便

slblocks.m

function blkStruct = slblocks
% 此函数用于将指定库显示在 Simulink 库浏览器中。

    % --- 库的注册信息 ---
    % 在 Browser.Library 中指定库文件名（不含扩展名）。
    Browser.Library = 'ssd1306_u8x8_display_lib';

    % 在 Browser.Name 中指定在库浏览器中显示的名称。
    Browser.Name = 'Arduino SSD1306 U8x8 display library';

    % --- 汇总到结构体中 ---
    blkStruct.Browser = Browser;

end

setup.m

function setup
addpath(fileparts(mfilename('fullpath')));   % #ok<MCAP> 将此文件夹添加到 PATH
try
    lb = LibraryBrowser.LibraryBrowser2;
    refresh(lb);
catch
    sl_refresh_customizations;
end
% 依赖检查（例如：Arduino 支持）
% assert(exist('arduino','file')~=0, 'Install MATLAB Support Package for Arduino');
end

INSTALL.m

%% Add library to path
addpath(pwd);
savepath;

%% Refresh library browser
lb = LibraryBrowser.LibraryBrowser2;
refresh(lb);

在路径设置中注册路径。

注册成功后，自制的 SSD1306 模块将添加到 Simulink 库中。

1. 启动 Simulink，创建新的“空模型”
   

2. 从模块库中添加以下内容：

   • HC-SR04 模块（RASPLib）
   • 用于 SSD1306 显示的 S-Function 模块（自制）
   • 字符串处理模块（常数字符串、数字→字符串转换、字符串拼接、字符串→ASCII转换）
   • 显示模块（用于调试确认）
     

在 “硬件设置” – “硬件执行” 中进行如下设置：

• 硬件执行
  

将程序上传到 Arduino，使其可以自动运行。

1. 执行 Simulink 的 “构建、部署并启动”
   

2. 编译 → 传输到 Arduino
   传输成功后，将输出如下日志：
   

超声波距离传感器测量到的物体距离现在会显示在 OLED 上。

（数值有点难以读取，此处放置了大约 7 cm 的障碍物）

• 成功地将 HC-SR04 获取到的距离即时显示在 OLED 上，实现了通过 Simulink 集成传感器与显示器
• 由于 Uno 的内存限制，难以使用 U8g2 的全缓冲功能，但 U8x8 模式轻量且实用
• 在此架构下 传感器输入 → 字符串转换 → 显示输出 能够直观地构建
• 今后可通过参数化实现 可变行列位置显示、字体切换、I²C 地址指定 等功能，将其发展为更通用的模块

• HC-SR04 利用 RASPLib 即可在 Simulink 上轻松使用。

• SSD1306 通过自制 S-Function 可以扩展其显示功能。

• U8g2 库 利用 U8x8 模式，考虑内存限制，是实用的选择。

• 结合项目功能与 slblocks/setup/INSTALL，可以轻松进行库管理和分发。

• 本次实践展示了使用 Arduino 进行 多设备集成的一个示例。

• 将来可将此方法推广到其他传感器和执行器，丰富库内容，进一步拓展模型驱动开发的应用范围。