Simulink如何集成外部C/C++代码

Simulink集成外部C/C++代码方法综述 Simulink提供了多种集成外部C/C++代码的方法，以满足不同应用场景的需求。主要集成方式包括： C Caller模块：R2018b引入，适合简单函数调用，图形化配置自动解析头文件，无缝集成仿真和代码生成，适用于嵌入式系统开发。 C Function模块：R2020a引入，提供更高灵活性，支持数据预处理和多函数调用，适合复杂算法集成，基于S-Fu

基算仿真

1868人浏览 · 2025-08-11 11:14:24

基算仿真 · 2025-08-11 11:14:24 发布

在实际的工程应用和学术研究中，仅仅依靠Simulink自身的功能和模块往往难以满足需求。在这种情况下集成外部的功能、算法、模型等资源是最优的选择。

其中，基于C/C++语言的各类资源最为丰富，同时也拥有最优越的性能，还与底层同样基于C/C++的Simulink有着良好的兼容性，因此广泛应用在以下场景中：

重用既有算法／库
许多成熟项目中，已有用 C/C++ 写好的算法库、设备驱动或数学工具包，直接在 Simulink 中调用，可避免重复造轮子。
性能优化
关键计算模块（如大规模矩阵运算、信号滤波、FFT 等）用手写 C 实现通常比纯 Simulink block 或 MATLAB Function 更高效，尤其在实时仿真或部署到硬件时。
嵌入式目标代码生成
Simulink Coder 生成的代码如果要在目标微控制器／DSP 上运行，经常需要与厂商提供的外部库（HAL、RTOS 接口、外设驱动）链接。
接口真实硬件／仿真器
在硬件在环（HIL）测试中，经常要调用专有的实时驱动或仿真API，这些 API 多以 C 语言形式提供。
混合开发流程
工程团队中，算法工程师用 Simulink 快速建模、验证思路；软件工程师用 C 代码实现、调优。二者结合，可以大幅缩短开发周期、降低验证成本。

因此，Simulink 提供了一系列工具，可以将来自不同来源的现有组件和代码集成到 Simulink 中，以创建大规模模型。

Simulink 集成外部C/C++代码的方法主要有以下几种：

C Caller
C Function
S-Function
MATLAB Function + coder.ceval
Stateflow + coder.ceval

1. C Caller

Simulink从R2018b版本开始，增加 “C Caller” 模块，用于在 Simulink 模型中直接调用 C/C++ 函数，旨在简化与 Simulink 模型集成的过程，特别是对于不需要 S-function 复杂性的场景。

优点：

易用性：图形化配置，自动解析头文件，无需手动编写 S-Function。
集成性：与 Simulink 的仿真和代码生成工具无缝集成。
灵活性：支持标量、向量、矩阵和结构体等复杂数据类型。
代码生成支持：通过 Simulink Coder 自动将 C 代码嵌入目标系统，适合嵌入式应用。
验证支持：与 Simulink Coverage、Test 和 Design Verifier 兼容，便于测试和验证。

缺点：

功能有限：仅适合调用单一或少量 C 函数，无法实现复杂的动态系统逻辑（如需要状态更新的算法）。
数据类型限制：需要确保 C 函数的输入输出与 Simulink 的数据类型兼容，可能需要额外的数据转换。
调试复杂性：如果 C 代码出现错误，调试可能需要检查生成的 C 代码或使用外部调试工具。

适用场景：

简单函数调用：调用单一的 C 函数，如数学运算、滤波器或控制算法。
代码重用：集成现有的 C 代码库，避免重新开发。
嵌入式系统开发：在生成嵌入式代码时，确保特定 C 实现被包含在目标系统中。
快速原型设计：快速验证 C 代码在 Simulink 环境中的行为。
测试与验证：与 Simulink Test 或 Simulink Design Verifier 配合，验证外部 C 代码的功能。

配置流程：

准备 C 代码

编写或准备 C 源文件（.c）和头文件（.h），其中定义了需要调用的函数，这里以一个简单的求和函数myFunction为例：

// myFunction.h
#ifndef MYFUNCTION_H
#define MYFUNCTION_H
double myFunction(double input1, double input2);
#endif

// myFunction.c
#include "myFunction.h"
double myFunction(double input1, double input2) {
    return input1 + input2; // 示例：返回两个输入之和
}

配置 Simulink 模型

打开Configuration Parameters (配置参数)> Simulation Target（仿真目标）

在 Simulation Target 面板中：

在 Source files （源文件）中添加 C 源文件（如 myFunction.c）。

添加代码源文件

在 Header files （头文件）字段中添加头文件（如 myFunction.h），也可以使用“基于源文件自动填充”功能。

添加代码头文件

指定包含路径（Include directories）和其他编译选项（如有需要）。

添加并配置C caller

打开 Simulink 库浏览器，导航到 Simulink > User-Defined Functions，拖放 C Caller 块到模型中。

点击标记1位置的刷新，Simulink 会自动解析头文件中定义的函数。接着从下拉菜单中选择要调用的函数（如 myFunction）

选择函数

端口设定：

确认输入和输出端口与 C 函数的签名匹配。例如，myFunction 有两个 double 输入和一个 double 输出，Simulink 会自动生成两个输入端口和一个输出端口。
如果函数涉及复杂数据类型（如结构体），需要在头文件中定义，并在 Simulation Target 中正确映射。

仿真和验证

运行 Simulink 模型，验证 C Caller 块是否正确调用 C 函数并返回预期结果。

C caller仿真结果

如果需要生成嵌入式代码，使用 Simulink Coder 配置目标硬件并生成代码，C Caller 块会自动将 C 代码嵌入生成的目标代码中。

2. C Function

C Function 是 Simulink 提供的一个 可视化编程与 C 语言结合的接口模块，首次引入于 R2020a版本，允许你直接在 Simulink 模型中编写、编译并运行 自定义 C 代码，而不需要额外生成 MEX 文件或编写 S-Function 模板。

C Function 模块的底层是基于 Simulink S-Function API 的封装，它帮你自动生成大部分 S-Function 框架，只保留给你编写的核心算法部分。

优点：

灵活性高：支持数据预后处理、多函数调用和持久数据管理，适合复杂集成。
自定义强：允许为仿真和代码生成指定不同代码，便于优化。
内存管理：支持分配/释放内存和初始化/终止代码。
集成性好：与 Simulink Coder 无缝配合，支持嵌入式部署。
代码重用：轻松集成现有 C 库，减少重复开发。

缺点：

配置复杂：相比 C Caller 块，需要更多手动配置和代码编写，学习曲线较陡。
功能限制：不适合动态系统（如连续状态），需转向 S-Function。
调试难度：自定义代码错误可能导致编译问题，需要检查 Diagnostic Viewer。
版本依赖：R2024a 前后配置略有差异，可能影响兼容性。

配置流程：

准备 C 代码

第一步同样是准备要集成的代码，这里使用与上文C caller案例中相同的代码。

配置 Simulink 模型

这里与上文一致，即在Configuration Parameters (配置参数)中配置代码文件。

添加并配置C Function

打开 Simulink 库浏览器，导航到 Simulink > User-Defined Functions，拖放 C Function 块到模型中。

配置C Function

如图所示：

在 C Function 模块参数对话框的 Simulation 选项卡下的输出一栏，编写模块在仿真期间执行的代码。
使用“端口和参数”表来定义块中代码中使用的符号。
仿真和验证

运行 Simulink 模型，验证 C Function块是否正确调用 C 函数并返回预期结果。

C Function仿真结果

C Function块 与 C Caller 块的主要区别：

C Caller 块：专用于调用单个 C 函数，配置简单，适合简单函数调用。自动解析头文件，无需手动编写预处理代码。
C Function 块：用于调用可能需要修改的外部 C 算法，提供更多自定义选项，如数据处理、初始化和多函数调用。适用于复杂场景，但配置更复杂。
其他区别：对于动态系统（如连续状态或状态变化），推荐使用 S-Function 块而非 C Function 块。C Function 块更注重数据管理和自定义代码，而 C Caller 块强调快速集成。

3. S-Function

S-Function（System Function） 是 Simulink 的可编程模块接口，它允许用户用 C、C++、MATLAB、Fortran 等语言，扩展 Simulink 的功能，实现自定义模块。

S-Function 的核心是通过回调函数（callback methods）与 Simulink 交互，这些函数在仿真过程中被调用，以更新状态、计算输出等。

优点：

功能最强：支持动态端口、事件触发、复杂状态管理。
高性能：C MEX S-Function 的执行速度接近纯 C 代码。
硬件集成：方便调用底层驱动（SPI、CAN、传感器等）。
跨平台：一次实现，可在不同平台（Simulink 仿真 / Embedded Coder 生成代码）运行。
灵活数据接口：支持任意维度、数据类型、采样时间。

缺点：

开发成本高：必须熟悉 Simulink S-Function API。
调试难度大：需要用 mex 编译，调试要依赖外部调试器（如 gdb、Visual Studio）。
维护成本高：比 MATLAB Function/C Function 代码更难维护。
新手学习曲线陡：API 较多，生命周期管理复杂。

适用场景：

大型已有 C/C++ 库的接入（如信号处理库、控制算法库）
硬件驱动（传感器读写、总线通信）
特殊仿真逻辑（自定义事件调度、非标信号类型）
高性能计算（替换 MATLAB Function 模块，减少解释器开销）

配置流程：

编写 S-Function 文件

这里依旧以上文适用的代码为例，这里需要新建一个 mySfunc.c 文件，用来封装 myFunction：

#define S_FUNCTION_NAME  mySfunc
#define S_FUNCTION_LEVEL 2

#include "simstruc.h"
#include "myFunction.h" // 引入你的函数声明

/* 初始化端口数量和属性 */
static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S)
{
    ssSetNumSFcnParams(S, 0); // 无参数

    /* 输入端口 1 */
    if (!ssSetNumInputPorts(S, 2)) return;
    ssSetInputPortWidth(S, 0, 1); // 第1个输入端口：标量
    ssSetInputPortWidth(S, 1, 1); // 第2个输入端口：标量
    ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 1);
    ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 1, 1);

    /* 输出端口 1 */
    if (!ssSetNumOutputPorts(S, 1)) return;
    ssSetOutputPortWidth(S, 0, 1); // 输出是标量

    ssSetNumSampleTimes(S, 1);
}

/* 设置采样时间 */
static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S)
{
    ssSetSampleTime(S, 0, INHERITED_SAMPLE_TIME); // 继承采样时间
    ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0);
}

/* 核心计算 */
static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid)
{
    InputRealPtrsType u0 = ssGetInputPortRealSignalPtrs(S, 0);
    InputRealPtrsType u1 = ssGetInputPortRealSignalPtrs(S, 1);
    real_T *y = ssGetOutputPortRealSignal(S, 0);

    /* 调用外部函数 */
    *y = myFunction(*u0[0], *u1[0]);
}

/* 终止处理（此例无资源释放） */
static void mdlTerminate(SimStruct *S) {}

/* 选择正确的编译接口 */
#ifdef MATLAB_MEX_FILE
#include "simulink.c"
#else
#include "cg_sfun.h"
#endif

编译MEX文件

在 MATLAB 命令行执行（确保 .c 和 .h 文件在当前工作目录或路径中）：

mex mySfunc.c myFunction.c

编译sfunction

这样会生成：

mySfunc.mexw64

此文件就是Simulink可直接调用的模块实现。

在 Simulink 中调用

打开 Simulink Library Browser，添加 S-Function 模块（位于 User-Defined Functions → S-Function），双击打开模块，在 S-function name 中填 mySfunc，此时S function模块会根据代码创建相应输出输出端口。

sfunction仿真结果

运行 Simulink 模型，验证 S function 块是否正确实现 C 函数的功能并返回预期结果。

S-Function是一种非常强大的方法，其拥有多种创建方式与接口等级，例如：Level-1 S-Function、Level-2 S-Function、C MEX S-Function、MATLAB S-Function等，本文仅做简单介绍，后续会推出专题进一步介绍。

4. MATLAB Function + coder.ceval

MATLAB Function 模块是 Simulink 提供的一个可以直接在模型中用 MATLAB 语言编写算法的模块。
它的作用类似于 MATLAB 脚本，但有以下特性：

可以生成高性能的 C 代码（需要 Simulink Coder）。
可以在 MATLAB 代码里调用外部 C 函数（通过 coder.ceval）。
支持输入输出信号映射到端口，直接参与仿真。

coder.ceval 是 MATLAB Coder 提供的一个接口，用于在 MATLAB 代码生成过程中调用外部 C/C++ 函数。

coder.ceval('函数名', 参数1, 参数2, ...)

'函数名' 必须是字符串，与外部 C 文件中的函数名一致。
参数必须是 C 类型可接受的变量（标量、指针、数组）。
如果 C 函数有返回值，需要用 coder.ceval 的返回值接收。
只能在 代码生成 过程中使用（普通 MATLAB 运行时需要提供 MEX 或者模拟实现）。

优点：

比 S-Function 开发简单，代码嵌入在 Simulink 模块中。
调用外部 C 代码无需自己写 S-Function 框架。
可直接生成嵌入式 C 代码。
对小型外部 C 库的集成非常方便。

缺点：

对动态端口、复杂状态管理支持不如 S-Function。
必须有 Simulink Coder（或 MATLAB Coder）才能调用外部 C 代码。
外部 C 文件路径和头文件需要额外配置，否则生成代码会失败。

适用场景：

需要使用到matlab function模块的场景。

配置方法：

准备C代码

这里依旧使用上文的myFunction函数代码作为示例，确保代码文件位于工作路径下。

与C caller和C Function一致，在Configuration Parameters (配置参数)中添加代码文件。

配置MATLAB Function

添加MATLAB Function模块，使用coder.ceval调用myFunction：

function y = callMyFunction(u1, u2)
%#codegen  % 启用代码生成

% 声明外部函数
coder.cinclude('myFunction.h');

% 初始化输出变量 (假设返回 double 标量)
y = 0;  % double 标量

% 调用外部函数
y = coder.ceval('myFunction', u1, u2);
end

仿真和验证

运行仿真，验证MATLAB Function + coder.ceval能否正确实现 C 函数的功能并返回预期结果。

编写matlab function

matlab function仿真结果

5.Stateflow + coder.ceval

Stateflow 是 MATLAB/Simulink 的一个状态机与流程图建模工具，用于描述离散事件驱动逻辑、模式切换、控制流程等。

在 Stateflow 中使用 coder.ceval，可以直接调用外部 C/C++ 函数，让状态机逻辑与已有的底层算法库无缝集成。

优势：

结构清晰：状态机逻辑 + 底层算法分离。
性能高效：C 代码直接生成嵌入式目标代码，无额外解释开销。
可维护性好：C 代码可单独调试、单元测试，Stateflow 只管理状态转移。
硬件可移植：同一状态机可切换不同平台的底层驱动实现。

缺点：

类型与大小必须已知：coder.ceval 调用时，传入和返回的变量必须在 Stateflow 中预定义类型（可用 Data 定义）。
只能在代码生成模式下使用：必须启用 Embedded Coder / Simulink Coder。
C 函数声明必须可见：需要在 #include 语句中声明函数原型，或者通过 Custom Code 设置包含头文件。
内存管理：不能直接在 C 函数里用 malloc 返回指针给 Stateflow，需在 Stateflow 侧分配内存并传指针。

配置方法：

准备 C 代码

与上文介绍的C caller和C Function一致，在Configuration Parameters (配置参数)中添加代码文件。

配置 Stateflow

在simulink中添加chart，创建状态。

通过在状态的entry 动作或transition 动作中使用coder.ceval调用C函数：

y = 0;
y = coder.ceval('myFunction', a, b);

仿真验证

运行仿真，验证Stateflow + coder.ceval能否正确实现 C 函数的功能并返回预期结果。

Stateflow仿真结果

总结

本文介绍了Simulink 集成外部C/C++代码最常见的5种方法，这里将各类方法的特点总结如下：

方法	典型场景	优点	缺点	开发难度
C Caller	已有外部 C 函数（.c/.h），直接调用并在模型中使用	图形化直接映射 C 函数输入/输出；无需编写接口代码	只能调用已存在的函数；逻辑必须在外部实现，无法在模块内写逻辑	低
C Function	在 Simulink 模块内直接写 C 代码（算法、控制逻辑等）	代码和模型绑定；可读性高；无需额外文件	不适合大型代码；可移植性较差	中
S-Function	高度自定义接口、非标数据类型、复杂状态机或自定义求解器	最灵活；可访问底层 API；支持多语言	编写复杂，需实现多回调函数	高
MATLAB Function + coder.ceval	已有 MATLAB 算法，需要在其中调用 C 函数	结合 MATLAB 语法和 C 代码；易调试	C 调用嵌在 MATLAB 中，生成代码依赖 coder 规则	中
Stateflow + coder.ceval	状态机逻辑中需要调用外部 C 函数	将外部 C 调用直接嵌入状态转移逻辑；易维护状态逻辑	对非状态机逻辑冗余；调试稍复杂	中