Simulink教程 - 第8章 | 逻辑与位运算模块

🔌 Simulink教程 - 第8章 | 逻辑与位运算模块

⚡ 数字逻辑的“工具箱”！ 本章聚焦逻辑判断、位操作和信号检测，帮你实现数字信号处理、状态机控制和底层硬件接口建模。

📚 前言

前几章介绍了连续和离散系统模块，但在数字系统中，逻辑判断和位操作同样重要。本章讲解区间检测、组合逻辑、位运算、移位操作和信号检测等模块，这些是构建数字控制系统、状态机、通信协议处理的核心工具。每一节都配有逻辑直觉和工程应用，帮你快速理解“如何用逻辑模块实现控制决策、如何操作二进制数据”。

1. 逻辑运算与位运算库导航

• 逻辑运算与位运算库包含区间检测、组合逻辑、比较、位操作、移位、检测等模块。
• 注意：逻辑运算模块和关系运算模块在第3章已介绍，本章不再赘述。

2. 区间检测模块：信号的“范围判断器”

2.1 Interval Test 区间检测模块

• 功能：判断输入信号的值是否在设定的区间内，如果在则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 区间类型：勾选 “Interval closed” 选项可设置为闭区间。
• 数据类型注意：如果输入信号是整型，而区间边界是浮点型，可能造成判断失误，需要统一数据类型。

2.2 Interval Test Dynamic 动态区间检测模块

• 功能：区间边界由外部输入信号 up 和 lo 决定，区间的开闭由模块属性配置决定。
• 溢出注意：当规定了输入信号的数据类型时，需考虑是否会产生溢出。例如 8 位整型只能表示 -128~127，超出范围可能导致仿真错误或结果不正确。

3. Combinatorial Logic 组合逻辑模块：真值表的“实现器”

• 功能：用矩阵表示的真值表实现组合逻辑，行表示不同输入组合下的输出结果，列表示模块的输出端口。
• 工作原理：
  • 真值表的输入端是隐式的，Simulink 通过从输入向量元素计算索引来返回矩阵的指定行。
  • 索引计算方法：构建一个二进制数，0 值输入元素为 0，非 0 值元素为 1，然后将结果加 1。
  • 对于 m 个元素的输入向量 u，索引计算公式如下：

4. 比较模块：信号的“关系判断器”

4.1 Compare To Zero 与 0 比较模块

• 功能：判断输入信号与 0 的关系，输出布尔值。
• 配置：设定关系运算符，0 作为右操作数，输入信号作为左操作数。
• 输出：关系表达式成立时输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。

4.2 Compare To Constant 与常数比较模块

• 功能：判断输入信号与指定常数的关系，输出布尔值。
• 配置：设定关系运算符和作为右操作数的常数，输入信号作为左操作数。
• 输出：关系表达式成立时输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。

5. 位设置与位清零：二进制数据的“精确控制”

5.1 Bit Set 位设置模块

• 功能：将输入信号转换为二进制形式，将指定位置 1，其他位不变，然后转换回原形式输出。
• 配置：双击模块可配置对每个输入信号分别需要置 1 的位（二进制数低位从 0 开始数）。
• 应用场景：设置标志位、配置寄存器等。

5.2 Bit Clear 位清零模块

• 功能：将输入信号转换为二进制形式，将指定位置 0，其他位不变，然后转换回原形式输出。
• 配置：双击模块可配置对每个输入信号分别需要置 0 的位（二进制数低位从 0 开始数）。
• 应用场景：清除标志位、复位寄存器等。

6. Bitwise Operator 位运算模块：二进制数据的“逻辑操作”

6.1 多操作数模式

• 功能：对多个操作数按位进行逻辑运算（如按位与、按位或、按位异或等）。
• 工作原理：输入信号转换为二进制形式，对每个位分别进行逻辑运算，具体运算类型可双击模块配置。

6.2 使用屏蔽位模式

• 功能：勾选 “Use bit mask …” 选项后，模块只有一个输入端口，将输入信号与位屏蔽数（Bit Mask）进行按位逻辑运算。
• 配置：双击模块可设置逻辑运算类型和位屏蔽数。
• 应用场景：提取特定位、掩码操作等。

7. 移位运算与位提取：二进制数据的“移动与提取”

7.1 Shift Arithmetic 移位运算模块

• 移位类型：
  • 二进制数本身移位：左移时移动位数 n 为负数，右移时 n 为正数。
  • 小数点移位：对二进制小数进行移位。
• 二进制数移位：
  • 先将输入值转换为二进制形式，然后进行数的移位。
  • 移位后产生的空位用 0 补上，被移出的位直接丢弃。
  • 数学意义：对数值进行 ÷ 2^n 的运算（在不超出数据类型表示范围的前提下）。
• 小数点移位：
  • 先将输入值转换为二进制小数形式，然后进行移位。
  • 数学意义：对数值进行 × 2^n 的运算（在不超出数据类型表示范围的前提下）。

7.2 Extract Bits 位提取模块

• 功能：从输入信号的二进制表示中提取一部分位并输出。
• 提取方式：
  1. Upper half：提取信号高位的一半（如 16 位数据的高 8 位）
  2. Lower half：提取信号低位的一半（如 16 位数据的低 8 位）
  3. Range starting with most significant bit：从最高位开始向低位提取指定位数
  4. Range starting with least significant bit：从最低位开始向高位提取指定位数
  5. Range of bits：从指定范围中提取（如第 0 位到第 7 位）

8. 检测模块：信号的“变化监控器”

8.1 Detect Increase 上升检测模块

• 功能：判断当前时刻的输入信号值是否大于上一时刻的输入信号值，如果是则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

8.2 Detect Decrease 下降检测模块

• 功能：判断当前时刻的输入信号值是否小于上一时刻的输入信号值，如果是则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

8.3 Detect Change 变化检测模块

• 功能：判断当前时刻的输入信号值是否等于上一时刻的输入信号值，如果相等则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

8.4 Detect Rise Positive 正值上升检测模块

• 功能：如果当前时刻的输入信号值 > 0，且上一时刻的输入信号值 ≤ 0，则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

8.5 Detect Rise Nonnegative 非负值上升检测模块

• 功能：如果当前时刻的输入信号值 ≥ 0，且上一时刻的输入信号值 < 0，则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

8.6 Detect Fall Negative 负值下降检测模块

• 功能：如果当前时刻的输入信号值 < 0，且上一时刻的输入信号值 ≥ 0，则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

8.7 Detect Fall Nonpositive 非正值下降检测模块

• 功能：如果当前时刻的输入信号值 ≤ 0，且上一时刻的输入信号值 > 0，则输出逻辑 1，否则输出逻辑 0。
• 初始条件：需设置 t=0 时刻“上一时刻”的输入值。

9. 参考

• simulink1.1 simulink简介（哔哩哔哩）

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👨‍💻 关于作者

成大事 - 10年嵌入式与控制系统开发经验，长期深耕 Simulink 建模与车载软件工程。

擅长领域： Simulink 建模仿真、模型驱动开发、AUTOSAR、整车控制系统。

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