使用圖形化的開發(fā)環(huán)境――LabView開發(fā)嵌入式系統(tǒng)

快速構(gòu)建原型—溝通虛擬世界與物理世界的橋梁

如前所述，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(shí)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，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，而LabVIEW平臺最明顯的價值就是在虛擬和物理世界的鴻溝上建一座橋梁。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)域具有很高的性能和靈活性。更重要的是，LabVIEW平臺是開放的，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?；蛘咭苑抡婕铗?qū)動物理測試，從而更有效快速地進(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，很難同時并行地開發(fā)軟件和硬件。而如果直到系統(tǒng)集成測試的時候才引入I/O用真實(shí)世界的信號檢驗(yàn)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?yàn)樾枰獋鞲衅骰蛱厥釯/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(yàn)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(yàn)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(shí)時處理器、用于高速處理的可編程邏輯器件，或者將實(shí)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NICompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)的原型。

例如BostonEngineering公司要開發(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。控制系統(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。傳統(tǒng)的原型板無法滿足這些要求，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。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LabVIEWFPGA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(yàn)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NILabVIEW嵌入式開發(fā)模塊是LabVIEW圖形化編程環(huán)境的一款全新附加模塊，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。該模塊包含了近千個內(nèi)建的庫函數(shù)，涵蓋了高等算法、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，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)(InlineCNode）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(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)

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”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，工程師可在不影響程序性能基礎(chǔ)上通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如JTAG、BDI和Nexus等進(jìn)行調(diào)試。

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。使用LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊，工程師和科學(xué)家們不需要了解最終的目標(biāo)就可以進(jìn)行代碼開發(fā)，因?yàn)檐浖傻氖荓abVIEW應(yīng)用的ANSIC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。