使用圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境――LabView開(kāi)發(fā)嵌入式系統

快速構建原型—溝通虛擬世界與物理世界的橋梁

如前所述，很多設計比預期時(shí)間晚上市，并且有一些在投入市場(chǎng)以后發(fā)現未達到預定的功能和指標，因此必須采取一定的措施來(lái)加快設計流程、提高設計質(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計流程之中，進(jìn)行更好的系統原型化，從而在早期就發(fā)現并修正潛在的問(wèn)題。

但是在任何設計和開(kāi)發(fā)流程中，基于軟件設計和仿真工具的虛擬世界與電子或機械測量的物理世界之間有一個(gè)很大的鴻溝，而LabVIEW平臺最明顯的價(jià)值就是在虛擬和物理世界的鴻溝上建一座橋梁。物理測量是與設計和仿真完全不同的挑戰，要求與廣泛的測量和控制硬件緊密集成，并以?xún)?yōu)化的性能處理大量的通道數或超高速吞吐量。LabVIEW平臺經(jīng)過(guò)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(kāi)放的，設計人員可以將測量數據與仿真結果相映射，甚至互換仿真和物理數據，以用于設計中的行為建?；蛘咭苑抡婕铗寗?dòng)物理測試，從而更有效快速地進(jìn)行系統原型構建。

嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員如果要定制硬件用于最終的發(fā)布，很難同時(shí)并行地開(kāi)發(fā)軟件和硬件。而如果直到系統集成測試的時(shí)候才引入I/O用真實(shí)世界的信號檢驗設計，一旦發(fā)現存在問(wèn)題，那就意味著(zhù)很難在預期時(shí)間完成設計任務(wù)了。大多數設計師當前用評估板來(lái)進(jìn)行系統的原型化，但是，原型板往往只具備少量的模擬和數字I/O通道，也很少支持視覺(jué)、運動(dòng)或同步的功能。此外，設計師經(jīng)常因為需要傳感器或特殊I/O的支持而花費大量時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)定制的原型板，而這些僅僅是為了設計概念的驗證。使用靈活的、商業(yè)化的原型平臺可以大大簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，消除其中硬件驗證和板級設計的大量工作。對于大多數系統，原型化平臺必須包括最終發(fā)布系統的同樣部件，比如用于執行算法的實(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)化的系統不能滿(mǎn)足所有的要求，那么這個(gè)平臺必須是可擴展的，并且支持自定義。NI提供了各種硬件平臺與LabVIEW集成，完成從設計、原型到部署的全過(guò)程。例如使用LabVIEW和NI可重復配置I/O(RIO）設備或NICompactRIO平臺，可以快速而便捷地創(chuàng )建嵌入式系統的原型。

例如BostonEngineering公司要開(kāi)發(fā)一種牽力控制機用于數碼照片打印系統。其中，彩色墨盒通過(guò)驅動(dòng)馬達饋送到打印頭，由卷帶電機和推進(jìn)電機來(lái)控制牽力。切割機底盤(pán)的振動(dòng)、每次打印的照片數目和每個(gè)電機的速度變化都會(huì )影響到底層的牽力?？刂葡到y通過(guò)兩個(gè)電機的位置來(lái)保證卷帶和推進(jìn)的牽力處于設定范圍之內，否則就會(huì )有色差。設計的牽力控制硬件需要兩個(gè)脈寬調制輸出來(lái)控制電機，兩個(gè)編碼器將轉速反饋給電機，兩個(gè)模擬輸入通道連接霍爾傳感器用來(lái)測量位置，兩根數字線(xiàn)用于信令。傳統的原型板無(wú)法滿(mǎn)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(lái)進(jìn)行原型化工作。他們在嵌入式控制器中運行管理程序，在FPGA中運行電機控制算法，這種資源配置使得原型化構建和最終系統發(fā)布在編程模式上是非常相似的。為了在FPGA中運行控制算法，他們將ZPK(zero-pole-gain）模型轉化為L(cháng)abVIEW數字濾波器設計工具包中提供的一種濾波器，由于這個(gè)工具包支持LabVIEWFPGA代碼的自動(dòng)生成和優(yōu)化，所以原先的ZPK模型就可以直接轉化成能夠在FPGA上運行的代碼。另外，他們還使用這個(gè)工具包對原先的浮點(diǎn)算法進(jìn)行了定點(diǎn)轉換，以節約FPGA資源，并對量化后的模型進(jìn)行測試、驗證、修正從而得到預期的結果。通過(guò)這種原型化方式，他們節約了大量的開(kāi)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，該工具集構成了一個(gè)用于設計、控制和測試的圖形化開(kāi)發(fā)平臺。新的NILabVIEW嵌入式開(kāi)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(gè)開(kāi)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運行庫函數和板卡支持程序包，編譯成為針對某一目標并能在之上運行的二進(jìn)制代碼。通過(guò)LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊和工具鏈，可以發(fā)布到運行任何操作系統的任何的32位處理器。該模塊包含了近千個(gè)內建的庫函數，涵蓋了高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個(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、信號處理庫函數等這一完整的工具來(lái)設計他們的應用，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聯(lián)C節點(diǎn)(InlineCNode）的新特性，整合現有的嵌入式代碼，來(lái)保持LabVIEW的開(kāi)放架構。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(kāi)發(fā)的源代碼，或者庫文件，幫助開(kāi)發(fā)人員充分利用以前的工作成果。

圖2內聯(lián)C節點(diǎn)

LabVIEW嵌入式環(huán)境的調試功能非常強大。除了用于快速調試的圖形化用戶(hù)接口顯示件、探針、斷點(diǎn)和函數單點(diǎn)調試之外，LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊為代碼調試提供了另外兩種無(wú)縫的接口。在嵌入式目標平臺上，工程師可以使用“儀器調試”通過(guò)TCP/IP、RS232或CAN進(jìn)行調試。使用內建的片上調試接口，工程師可在不影響程序性能基礎上通過(guò)工業(yè)標準協(xié)議如JTAG、BDI和Nexus等進(jìn)行調試。

減少與特定硬件以及操作系統的相關(guān)性

基于平臺的工具，需要能夠表達整個(gè)系統，而減少與特定硬件以及操作系統的相關(guān)性。在傳統的開(kāi)發(fā)模式中，嵌入式目標本身要求程序員在編寫(xiě)代碼之前對目標有深入的了解。程序需要知道板卡上各種關(guān)于內存映射和寄存器的信息，才能在板卡上執行他們的代碼。另外，大部分代碼是專(zhuān)為某一特定目標編寫(xiě)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備，可能就需要重新編寫(xiě)大部分已有的代碼，或是完全從頭開(kāi)始。這意味著(zhù)最終產(chǎn)品的擴展性方面是有缺陷的。使用LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊，工程師和科學(xué)家們不需要了解最終的目標就可以進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)，因為軟件生成的是LabVIEW應用的ANSIC代碼，而不是針對某個(gè)特定目標的二進(jìn)制代碼。如圖3所示，灰色區域的部分對于開(kāi)發(fā)員來(lái)說(shuō)是透明的，他們在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不需要了解目標硬件上內存映射和寄存器的情況。同時(shí)，LabVIEW嵌入式方式是一個(gè)開(kāi)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運行庫函數和板卡支持程序包(BSP）編譯成為針對某一目標并能在這個(gè)目標上運行的二進(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(jiǎn)單地將不同的BSP鏈接到LabVIEW中，在現有的圖形化代碼上作一小部分改動(dòng)就可以完成。