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)中實現(xiàn)圖形化，已經(jīng)成為大勢所趨?，F(xiàn)在市場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特定硬件或操作系統(tǒng)的工具，與硬件和操作系統(tǒng)平臺有很大的相關(guān)性，而這是不足以徹底解決行業(yè)將要面臨的挑戰(zhàn)的。現(xiàn)在市場所需的是一種完全的圖形化編程語言，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)計的關(guān)鍵因素是圖形化編程。

對于時間和平行性的支持

20年來，科學(xué)家和工程師一直在使用LabVIEW為他們的設(shè)計實驗室、驗證實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場構(gòu)建自動化數(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)界的事實標(biāo)準(zhǔn)。其核心在于，LabVIEW圖形化編程語言使得沒有經(jīng)過正規(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自動化測量和控制系統(tǒng)。

和傳統(tǒng)的文本編程相比，LabVIEW天生是一種并行結(jié)構(gòu)的編程語言，而時間和并行性在現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)中是必不可少的。比如，LabVIEW在已有的定時循環(huán)結(jié)構(gòu)上新加了硬件定時功能，它是一種表示時間和并行的語義，可以設(shè)置操作系統(tǒng)優(yōu)先級，延時，循環(huán)速率等等，如圖1所示；如果我們將圖1所示的兩個并行任務(wù)的執(zhí)行目標(biāo)擴(kuò)展到嵌入式對象，比如FPGA或微處理器，就可以看到，通過編程環(huán)境的一致性和可升級性，LabVIEW能夠容易的實現(xiàn)和管理嵌入式系統(tǒng)的并行性。回想在文章前面所提到的向多處理器轉(zhuǎn)移的趨勢，現(xiàn)在我們可以憧憬使用可擴(kuò)展的直觀圖形化編程，來開發(fā)應(yīng)用，并將處理過程分配到不同的處理器上。

圖1 LabVIEW對于兩個并行任務(wù)的編程

支持多種算法設(shè)計

談到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，人們所指的其實包括兩部分工作：算法設(shè)計和固件設(shè)計。對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計來說，另一個關(guān)鍵要求是軟件平臺必須能夠兼顧實時嵌入式設(shè)計中常見的多種算法設(shè)計，即計算模型（Computation Model），這些計算模型符合系統(tǒng)設(shè)計師們籌劃系統(tǒng)時的方式，從而降低從‘系統(tǒng)要求’轉(zhuǎn)換到‘軟件設(shè)計’的復(fù)雜性。

近幾年來LabVIEW已經(jīng)包含了多種計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)在可以通過連續(xù)時間仿真，狀態(tài)圖，圖形化數(shù)據(jù)流模型和基于文本的數(shù)學(xué)語言mathscript等多種方式來表達(dá)各種算法，同時它提供了很多交互式的工具用來幫助數(shù)字濾波器的設(shè)計，控制模型的設(shè)計，通信系統(tǒng)的設(shè)計，以及數(shù)字信號處理算法的開發(fā)，從而在這些頂層應(yīng)用中更進(jìn)一步簡化設(shè)計師的工作。LabVIEW 目前提供了600多個數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號處理的函數(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)計比預(yù)期時間晚上市，并且有一些在投入市場以后發(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加快設(shè)計流程，提高設(shè)計質(zhì)量。一種解決方案就是更早地將真實世界的信號和硬件引入到設(shè)計流程之中，進(jìn)行更好的系統(tǒng)原型化，從而在早期就發(fā)現(xiàn)并修正潛在的問題。

但是在任何設(shè)計和開發(fā)流程中，在基于軟件設(shè)計和仿真工具的虛擬世界，與電子或機(jī)械測量的物理世界之間有一個很大的鴻溝。LabVIEW平臺最明顯的價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。物理測量是與設(shè)計和仿真完全不同的挑戰(zhàn)，要求與廣泛的測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平臺經(jīng)過不斷演進(jìn)，在物理測量領(lǐng)域提供無與匹敵的性能和靈活性。更重要的是，LabVIEW平臺是開放的，因此，設(shè)計人員可以將測量數(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)計中的行為建模，或者以仿真的激勵驅(qū)動物理測試，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，很難同時并行的開發(fā)軟件和硬件，因為直到系統(tǒng)集成步驟之前，軟件從未在有代表性的硬件上經(jīng)過測試。此外，設(shè)計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)集成測試的時候才引入I/O用真實世界的信號檢驗設(shè)計，一旦發(fā)現(xiàn)存在問題，那就意味著很難在預(yù)期時間完成設(shè)計任務(wù)了。

大多數(shù)設(shè)計師當(dāng)前用評估板來進(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，運(yùn)動或同步的功能。此外，設(shè)計師經(jīng)常因為需要傳感器或特殊I/O的支持而花費(fèi)大量時間來開發(fā)定制的原型板，而這些僅僅是為了設(shè)計概念的驗證。使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺可以大大簡化這個過程，消除其中硬件驗證和板級設(shè)計的大量工作。對于大多數(shù)系統(tǒng)，原型化平臺必須包括最終發(fā)布系統(tǒng)的同樣部件，比如用于執(zhí)行算法的實時處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件，或者將實時處理器接口到其他部件。因此，如果這個商業(yè)化的系統(tǒng)不能滿足所有的要求，那么這個平臺必須是可擴(kuò)展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設(shè)計、原型到部署的全過程。例如使用LabVIEW和NI 可重復(fù)配置I/O（RIO）設(shè)備或NI CompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)的原型。

一個客戶案例是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，彩色墨盒通過驅(qū)動馬達(dá)饋送到打印頭，由卷帶電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)來控制牽力。切割機(jī)底盤的振動、每次打印的照片數(shù)目和每個電機(jī)的速度變化都會影響到底層的牽力?？刂葡到y(tǒng)通過兩個電機(jī)的位置來保證卷帶和推進(jìn)的牽力處于設(shè)定范圍之內(nèi)，否則就會有色差。設(shè)計的牽力控制硬件需要兩個脈寬調(diào)制輸出來控制電機(jī)，兩個編碼器將轉(zhuǎn)速反饋給電機(jī)，兩個模擬輸入通道連接霍爾傳感器用來測量位置，兩根數(shù)字線用于信令。由于傳統(tǒng)的原型板無法滿足這些要求，所以需要使用可以自定義I/O的原型平臺，因此他們使用CompactRIO平臺來進(jìn)行原型化工作。CompactRIO系統(tǒng)包含一個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LabVIEW FPGA對背板上的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，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。他們在嵌入式控制器中運(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LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計工具包中提供的一種濾波器，由于這個工具包支持LabVIEW FPGA代碼的自動生成和優(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，他們還使用這個工具包對原先的浮點(diǎn)算法進(jìn)行了定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，以節(jié)約FPGA 資源，并對量化后的模型進(jìn)行測試、驗證、修正從而得到預(yù)期的結(jié)果。通過這種原型化方式，他們節(jié)約了大量的開發(fā)時間。

發(fā)布到任何32位處理器

LabVIEW包括一個廣泛的工具集，該工具集構(gòu)成了一個用于設(shè)計、控制和測試的圖形化開發(fā)平臺。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)行庫函數(shù)和板卡支持程序包，編譯成為針對某一目標(biāo)并能在之上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼。通過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)模塊包含了近千個內(nèi)建的庫函數(shù)，涵蓋高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個方面。原先無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LabVIEW中附加的狀態(tài)圖、控制圖表、信號處理庫函數(shù)等這一完整的工具來設(shè)計他們的應(yīng)用，以解決各種問題。此外，通過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，來保持LabVIEW的開放架構(gòu)。另外，在LabVIEW嵌入式項目環(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縫的接口。在嵌入式目標(biāo)平臺上，工程師可以使用“儀器調(diào)試”（instrumented debugging），以便于通過TCP/IP、RS232,或CAN進(jìn)行調(diào)試。使用內(nèi)建的片上調(diào)試接口，工程師可以通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如JTAG、BDI和Nexus等，進(jìn)行調(diào)試，同時不影響程序性能。

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、原型，實現(xiàn)他們的解決方案，極大地縮短開發(fā)時間和產(chǎn)品上市時間。

減少與特定硬件以及操作系統(tǒng)的相關(guān)性

基于平臺的工具，需要能夠表達(dá)整個系統(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)，因為軟件生成的是LabVIEW應(yīng)用的ANSI C代碼，而不是針對某個特定目標(biāo)的二進(jìn)制代碼。如圖3所示，灰色區(qū)域的部分對于開發(fā)員來說是透明的，他們在開發(fā)過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，LabVIEW嵌入式方式是一個開放的框架，它可以整合任意的第三方工具鏈，將生成的C代碼、LabVIEW運(yùn)行庫函數(shù)和板卡支持程序包（BSP）編譯成為針對某一目標(biāo)并能在這個目標(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，工程師可以簡單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中，在現(xiàn)有的圖形化代碼上作一小部分改動就可以完成。

圖3 LabVIEW嵌入式模塊的開發(fā)流程

與目標(biāo)無關(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)品上市時間大大縮短。最后，所生成的LabVIEW代碼不是針對某個特定平臺的，所以您很容易升級到新的硬件。

3. 結(jié)論

隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，設(shè)計師們正在面對嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于市場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的工具轉(zhuǎn)移是一種必然的趨勢。LabVIEW為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了一個跨越多種、多代產(chǎn)品的連貫性的平臺，使設(shè)計人員能夠多年重復(fù)并改進(jìn)其設(shè)計，而不必替換其整個工具集或者重新學(xué)習(xí)不同的設(shè)計方法，從而使設(shè)計的速度和質(zhì)量得到提高。同時，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、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。