使用圖形化的開發(fā)工具——LabVIEW開發(fā)嵌入式系統(tǒng)

在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)圖形化，已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。現(xiàn)在市場(chǎng)上的工具都在向圖形化的方向轉(zhuǎn)變，但往往僅限于基于嵌入式操作系統(tǒng)的圖形界面開發(fā)，而且由于它們是針對(duì)特定硬件或操作系統(tǒng)的工具，與硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)有很大的相關(guān)性，而這是不足以徹底解決行業(yè)將要面臨的挑戰(zhàn)的?，F(xiàn)在市場(chǎng)所需的是一種完全的圖形化編程語(yǔ)言，提供足夠的靈活性和功能，以滿足更廣泛應(yīng)用的需求。因此，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是圖形化編程。

對(duì)于時(shí)間和平行性的支持

20年來(lái)，科學(xué)家和工程師一直在使用LabVIEW為他們的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和儀器控制解決方案，并在這些應(yīng)用領(lǐng)域成為業(yè)界的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。其核心在于，LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言使得沒(méi)有經(jīng)過(guò)正規(guī)編程培訓(xùn)或相關(guān)背景的技術(shù)專家能夠快速搭建高級(jí)自動(dòng)化測(cè)量和控制系統(tǒng)。

和傳統(tǒng)的文本編程相比，LabVIEW天生是一種并行結(jié)構(gòu)的編程語(yǔ)言，而時(shí)間和并行性在現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)中是必不可少的。比如，LabVIEW在已有的定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)上新加了硬件定時(shí)功能，它是一種表示時(shí)間和并行的語(yǔ)義，可以設(shè)置操作系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)，延時(shí)，循環(huán)速率等等，如圖1所示；如果我們將圖1所示的兩個(gè)并行任務(wù)的執(zhí)行目標(biāo)擴(kuò)展到嵌入式對(duì)象，比如FPGA或微處理器，就可以看到，通過(guò)編程環(huán)境的一致性和可升級(jí)性，LabVIEW能夠容易的實(shí)現(xiàn)和管理嵌入式系統(tǒng)的并行性?；叵朐谖恼虑懊嫠岬降南蚨嗵幚砥鬓D(zhuǎn)移的趨勢(shì)，現(xiàn)在我們可以憧憬使用可擴(kuò)展的直觀圖形化編程，來(lái)開發(fā)應(yīng)用，并將處理過(guò)程分配到不同的處理器上。

圖1 LabVIEW對(duì)于兩個(gè)并行任務(wù)的編程

支持多種算法設(shè)計(jì)

談到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，人們所指的其實(shí)包括兩部分工作：算法設(shè)計(jì)和固件設(shè)計(jì)。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，另一個(gè)關(guān)鍵要求是軟件平臺(tái)必須能夠兼顧實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的多種算法設(shè)計(jì)，即計(jì)算模型（Computation Model），這些計(jì)算模型符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們籌劃系統(tǒng)時(shí)的方式，從而降低從‘系統(tǒng)要求’轉(zhuǎn)換到‘軟件設(shè)計(jì)’的復(fù)雜性。

近幾年來(lái)LabVIEW已經(jīng)包含了多種計(jì)算模型以更好地滿足不同專業(yè)背景的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的需求。LabVIEW現(xiàn)在可以通過(guò)連續(xù)時(shí)間仿真，狀態(tài)圖，圖形化數(shù)據(jù)流模型和基于文本的數(shù)學(xué)語(yǔ)言mathscript等多種方式來(lái)表達(dá)各種算法，同時(shí)它提供了很多交互式的工具用來(lái)幫助數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，控制模型的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及數(shù)字信號(hào)處理算法的開發(fā)，從而在這些頂層應(yīng)用中更進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)師的工作。LabVIEW 目前提供了600多個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號(hào)處理的函數(shù)為各種各樣的應(yīng)用服務(wù)。

快速構(gòu)建原型——溝通虛擬世界與物理世界的橋梁

正如前文所提，很多設(shè)計(jì)比預(yù)期時(shí)間晚上市，并且有一些在投入市場(chǎng)以后發(fā)現(xiàn)未達(dá)到預(yù)定的功能和指標(biāo)，因此必須采取一定的措施來(lái)加快設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。一種解決方案就是更早地將真實(shí)世界的信號(hào)和硬件引入到設(shè)計(jì)流程之中，進(jìn)行更好的系統(tǒng)原型化，從而在早期就發(fā)現(xiàn)并修正潛在的問(wèn)題。

但是在任何設(shè)計(jì)和開發(fā)流程中，在基于軟件設(shè)計(jì)和仿真工具的虛擬世界，與電子或機(jī)械測(cè)量的物理世界之間有一個(gè)很大的鴻溝。LabVIEW平臺(tái)最明顯的價(jià)值就是在虛擬世界和物理世界間的鴻溝之間建立一座橋梁。物理測(cè)量是與設(shè)計(jì)和仿真完全不同的挑戰(zhàn)，要求與廣泛的測(cè)量和控制硬件緊密集成，并以優(yōu)化的性能處理大量的通道數(shù)或超高速吞吐量。LabVIEW平臺(tái)經(jīng)過(guò)不斷演進(jìn)，在物理測(cè)量領(lǐng)域提供無(wú)與匹敵的性能和靈活性。更重要的是，LabVIEW平臺(tái)是開放的，因此，設(shè)計(jì)人員可以將測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果相映射，甚至互換仿真和物理數(shù)據(jù)，以用于設(shè)計(jì)中的行為建模，或者以仿真的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)物理測(cè)試，從而更為有效快速的進(jìn)行系統(tǒng)原型構(gòu)建。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員如果要定制硬件用于最終的發(fā)布，很難同時(shí)并行的開發(fā)軟件和硬件，因?yàn)橹钡较到y(tǒng)集成步驟之前，軟件從未在有代表性的硬件上經(jīng)過(guò)測(cè)試。此外，設(shè)計(jì)師們也不希望軟件開發(fā)是純理論的進(jìn)行，如果直到系統(tǒng)集成測(cè)試的時(shí)候才引入I/O用真實(shí)世界的信號(hào)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，一旦發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，那就意味著很難在預(yù)期時(shí)間完成設(shè)計(jì)任務(wù)了。

大多數(shù)設(shè)計(jì)師當(dāng)前用評(píng)估板來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的原型化，但是，原型板往往只具備少量的模擬和數(shù)字I/O通道，也很少支持視覺(jué)，運(yùn)動(dòng)或同步的功能。此外，設(shè)計(jì)師經(jīng)常因?yàn)樾枰?a target="_blank">傳感器或特殊I/O的支持而花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)開發(fā)定制的原型板，而這些僅僅是為了設(shè)計(jì)概念的驗(yàn)證。使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺(tái)可以大大簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，消除其中硬件驗(yàn)證和板級(jí)設(shè)計(jì)的大量工作。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，原型化平臺(tái)必須包括最終發(fā)布系統(tǒng)的同樣部件，比如用于執(zhí)行算法的實(shí)時(shí)處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件，或者將實(shí)時(shí)處理器接口到其他部件。因此，如果這個(gè)商業(yè)化的系統(tǒng)不能滿足所有的要求，那么這個(gè)平臺(tái)必須是可擴(kuò)展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺(tái)與LabVIEW集成，完成從設(shè)計(jì)、原型到部署的全過(guò)程。例如使用LabVIEW和NI 可重復(fù)配置I/O（RIO）設(shè)備或NI CompactRIO平臺(tái)，可以快速而便捷地創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)的原型。

一個(gè)客戶案例是Boston Engineering公司。他們要開發(fā)一種牽力控制機(jī)用于數(shù)碼照片打印系統(tǒng)。其中，彩色墨盒通過(guò)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)饋送到打印頭，由卷帶電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)來(lái)控制牽力。切割機(jī)底盤的振動(dòng)、每次打印的照片數(shù)目和每個(gè)電機(jī)的速度變化都會(huì)影響到底層的牽力?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的位置來(lái)保證卷帶和推進(jìn)的牽力處于設(shè)定范圍之內(nèi)，否則就會(huì)有色差。設(shè)計(jì)的牽力控制硬件需要兩個(gè)脈寬調(diào)制輸出來(lái)控制電機(jī)，兩個(gè)編碼器將轉(zhuǎn)速反饋給電機(jī)，兩個(gè)模擬輸入通道連接霍爾傳感器用來(lái)測(cè)量位置，兩根數(shù)字線用于信令。由于傳統(tǒng)的原型板無(wú)法滿足這些要求，所以需要使用可以自定義I/O的原型平臺(tái)，因此他們使用CompactRIO平臺(tái)來(lái)進(jìn)行原型化工作。CompactRIO系統(tǒng)包含一個(gè)266 MHz的嵌入式微處理器，以太網(wǎng)控制器，以及背板上的1M 門FPGA。通過(guò)LabVIEW FPGA對(duì)背板上的FPGA編程，由于LabVIEW FPGA是一種圖形化的編程環(huán)境，不需要VHDL的經(jīng)驗(yàn)，他們的控制、機(jī)械和電子工程師就可以直接參與到編程工作中。他們?cè)谇度胧娇刂破髦羞\(yùn)行管理程序，在FPGA中運(yùn)行電機(jī)控制算法，這種資源配置使得原型化構(gòu)建和最終系統(tǒng)發(fā)布在編程模式上是非常相似的。為了在FPGA中運(yùn)行控制算法，他們將ZPK（zero-pole-gain）模型轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)abVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包中提供的一種濾波器，由于這個(gè)工具包支持LabVIEW FPGA代碼的自動(dòng)生成和優(yōu)化，所以原先的ZPK模型就可以直接轉(zhuǎn)化成能夠在FPGA上運(yùn)行的代碼。另外，他們還使用這個(gè)工具包對(duì)原先的浮點(diǎn)算法進(jìn)行了定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，以節(jié)約FPGA 資源，并對(duì)量化后的模型進(jìn)行測(cè)試、驗(yàn)證、修正從而得到預(yù)期的結(jié)果。通過(guò)這種原型化方式，他們節(jié)約了大量的開發(fā)時(shí)間。

發(fā)布到任何32位處理器

LabVIEW包括一個(gè)廣泛的工具集，該工具集構(gòu)成了一個(gè)用于設(shè)計(jì)、控制和測(cè)試的圖形化開發(fā)平臺(tái)。新的NI LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊（LabVIEW Embedded Development Module,）是LabVIEW圖形化編程環(huán)境的一款全新附加模塊。LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊是一個(gè)開放的框架，它可以集成任意的第三方工具鏈，將生成的C代碼與LabVIEW運(yùn)行庫(kù)函數(shù)和板卡支持程序包，編譯成為針對(duì)某一目標(biāo)并能在之上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼。通過(guò)LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊和工具鏈，可以發(fā)布到運(yùn)行任何操作系統(tǒng)的任何的32位處理器。

LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊包含了近千個(gè)內(nèi)建的庫(kù)函數(shù)，涵蓋高等算法、文件I/O、邏輯和信號(hào)處理各個(gè)方面。原先無(wú)法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進(jìn)入32位微處理器的領(lǐng)域之中。通過(guò)LabVIEW中附加的狀態(tài)圖、控制圖表、信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)等這一完整的工具來(lái)設(shè)計(jì)他們的應(yīng)用，以解決各種問(wèn)題。此外，通過(guò)LabVIEW嵌入式方式 ，工程師和科學(xué)家可以使用一種叫做內(nèi)聯(lián)C節(jié)點(diǎn)（Inline C Node）的新特性，整合現(xiàn)有的嵌入式代碼，來(lái)保持LabVIEW的開放架構(gòu)。另外，在LabVIEW嵌入式項(xiàng)目環(huán)境中，還可以直接添加用C或者匯編開發(fā)的源代碼，或者庫(kù)文件，幫助開發(fā)人員充分利用以前的工作成果。

圖2內(nèi)聯(lián)C節(jié)點(diǎn)（Inline C Node）

LabVIEW嵌入式環(huán)境的調(diào)試功能非常強(qiáng)大。除了用于快速調(diào)試的圖形化用戶接口顯示件、探針、斷點(diǎn)和函數(shù)單點(diǎn)調(diào)試之外，LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊為代碼調(diào)試提供了另外兩種無(wú)縫的接口。在嵌入式目標(biāo)平臺(tái)上，工程師可以使用“儀器調(diào)試”（instrumented debugging），以便于通過(guò)TCP/IP、RS232,或CAN進(jìn)行調(diào)試。使用內(nèi)建的片上調(diào)試接口，工程師可以通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如JTAG、BDI和Nexus等，進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)不影響程序性能。

LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊使領(lǐng)域?qū)＜铱梢允褂矛F(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行更多的應(yīng)用，使用同一環(huán)境進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、原型，實(shí)現(xiàn)他們的解決方案，極大地縮短開發(fā)時(shí)間和產(chǎn)品上市時(shí)間。

減少與特定硬件以及操作系統(tǒng)的相關(guān)性

基于平臺(tái)的工具，需要能夠表達(dá)整個(gè)系統(tǒng)，而減少與特定硬件以及操作系統(tǒng)的相關(guān)性。在傳統(tǒng)的開發(fā)模式中，嵌入式目標(biāo)本身要求程序員在編寫代碼之前對(duì)目標(biāo)有深入的了解。程序需要知道板卡上各種關(guān)于內(nèi)存映射和寄存器的信息，才能在板卡上執(zhí)行他們的代碼。另外，大部分代碼是專為某一特定目標(biāo)編寫的。這樣，在一塊板卡上使用不同的微處理器或是不同的外圍設(shè)備，可能就需要重新編寫大部分已有的代碼，或是完全從頭開始。這意味著最終產(chǎn)品的擴(kuò)展性方面是有缺陷的。

但是，使用LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊，工程師和科學(xué)家們不需了解最終的目標(biāo)，就可以進(jìn)行代碼開發(fā)，因?yàn)檐浖傻氖荓abVIEW應(yīng)用的ANSI C代碼，而不是針對(duì)某個(gè)特定目標(biāo)的二進(jìn)制代碼。如圖3所示，灰色區(qū)域的部分對(duì)于開發(fā)員來(lái)說(shuō)是透明的，他們?cè)陂_發(fā)過(guò)程中不需要了解目標(biāo)硬件上內(nèi)存映射和寄存器的情況。

同時(shí)，LabVIEW嵌入式方式是一個(gè)開放的框架，它可以整合任意的第三方工具鏈，將生成的C代碼、LabVIEW運(yùn)行庫(kù)函數(shù)和板卡支持程序包（BSP）編譯成為針對(duì)某一目標(biāo)并能在這個(gè)目標(biāo)上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼。BSP是一種作為C代碼與板上外圍硬件接口的底層代碼。因此，如果板卡需要升級(jí)，工程師可以簡(jiǎn)單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中，在現(xiàn)有的圖形化代碼上作一小部分改動(dòng)就可以完成。

圖3 LabVIEW嵌入式模塊的開發(fā)流程

與目標(biāo)無(wú)關(guān)的代碼開發(fā)意味著工程師和科學(xué)家不再需要等待硬件確定之后再開始設(shè)計(jì)算法。這樣并行的工作和效率的提升，使開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時(shí)間大大縮短。最后，所生成的LabVIEW代碼不是針對(duì)某個(gè)特定平臺(tái)的，所以您很容易升級(jí)到新的硬件。

3. 結(jié)論

隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，設(shè)計(jì)師們正在面對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于市場(chǎng)上嵌入式硬件和操作系統(tǒng)的多樣化，嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，圖形化和向基于平臺(tái)的工具轉(zhuǎn)移是一種必然的趨勢(shì)。LabVIEW為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了一個(gè)跨越多種、多代產(chǎn)品的連貫性的平臺(tái)，使設(shè)計(jì)人員能夠多年重復(fù)并改進(jìn)其設(shè)計(jì)，而不必替換其整個(gè)工具集或者重新學(xué)習(xí)不同的設(shè)計(jì)方法，從而使設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量得到提高。同時(shí)，其圖形化的編程模式使得更多的工程師和科學(xué)家可以使用他們的專業(yè)知識(shí)開發(fā)嵌入式應(yīng)用，而不需要再依賴嵌入式方面的專家。使用統(tǒng)一的環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)、原型到部署，LabVIEW為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了前所未有的革新方式。