使用LabVIEW開(kāi)發(fā)基于32位處理器的嵌入式系統

隨著(zhù)32位多核處理器應用逐漸走熱，設計者正面臨著(zhù)新的挑戰， 業(yè)內專(zhuān)家指出面向角色（actor-oriented）的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設計的工具。NI 的LabVIEW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，通過(guò)這個(gè)軟件和圖形化系統設計的理念，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)設計它們的應用，以解決各種問(wèn)題。本文對該開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行了介紹。 

 隨著(zhù)嵌入式系統變得越來(lái)越復雜，設計者正面臨著(zhù)新的挑戰：隨著(zhù)基于32位微控制器(MCU)的嵌入式系統的成本向16位系統逐步接近，在許多高級應用中8位和16位微控制器正逐步讓位給擴展性更佳，性能更好的32位片上系統（SoC）。此外，由于單純通過(guò)CPU的性能提升來(lái)增加整個(gè)系統的性能已經(jīng)不是一種持久的發(fā)展趨勢了，所以主要的處理器制造商已經(jīng)轉向了多核心架構。從Dell在幾個(gè)月前推出的多處理器核心的臺式計算機，就可以看到這種趨勢。從消費者和用戶(hù)的觀(guān)點(diǎn)上來(lái)看，處理性能的提升是一樣的。但是，從一個(gè)嵌入式系統開(kāi)發(fā)者的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，設計將變得更加復雜，因為您必須了解如何在多處理器環(huán)境下開(kāi)發(fā)和分割您的應用。根據十年前的估計，嵌入式系統的平均代碼量為10萬(wàn)行。到2001年，這個(gè)數字實(shí)際已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)，而現在的數字估計為500萬(wàn)。 

 現在我們將視線(xiàn)轉移到當前嵌入式系統的開(kāi)發(fā)工具上來(lái)，隨著(zhù)復雜度的逐漸上升，現在傳統工具很難降低編程工作的復雜度，嵌入式領(lǐng)域需要另一種方法來(lái)應對這些挑戰。挑戰不僅是工具方面的，還有解決問(wèn)題的途徑：基于文本編程的嵌入式應用開(kāi)發(fā)在將來(lái)不可能解決這些問(wèn)題。這已經(jīng)是許多業(yè)內專(zhuān)家的共識；Edward Lee博士是加州大學(xué)伯克利分校嵌入式研究方面的領(lǐng)先者，他指出現在嵌入式系統的開(kāi)發(fā)手段如基于文本編程和面向對象的工具都難以用來(lái)構建嵌入式實(shí)時(shí)系統，因為面向對象很難直觀(guān)地表達時(shí)間和平行性（parallelism），而時(shí)間和平行性或并行（concurrency）在現在的嵌入式系統中是必不可少的。Lee博士提出面向角色（actor-oriented）的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設計的工具。 

 雖然嵌入式系統的挑戰越來(lái)越嚴峻，但是現在已經(jīng)有了許多解決的方向。許多供應商采取了將底層工具的設計抽象出來(lái)的辦法。這種方法每前進(jìn)一步，都會(huì )吸引更多的用戶(hù)。另一個(gè)方向是可以更徹底地解決面臨的挑戰，也就是向基于平臺的工具轉移，它能夠更好地表達整個(gè)系統，而減少與特定硬件的相關(guān)性，這使得更多的軟件設計容易理解并被重復使用，而從基于文本的工具向圖形化工具的轉移則可以直觀(guān)地表達系統，并解決系統的挑戰。圖形化系統設計（Graphical System Design）的理念就是源于這些趨勢。通過(guò)簡(jiǎn)化嵌入式編程的復雜性，它降低了對領(lǐng)域專(zhuān)家在嵌入式設計流程中各個(gè)步驟的要求；同時(shí)提供了從設計、原型到部署的一條捷徑，使得工程師和科學(xué)家們可以更快速地進(jìn)行重復設計。 

 盡管市場(chǎng)上的工具都在向圖形化的方向轉變，但由于它們是針對特定領(lǐng)域特定應用的工具，所以仍舊受到自身的限制，而這是不足以解決行業(yè)將要面臨的挑戰的。事實(shí)上，現在的嵌入式系統市場(chǎng)與八十年代早期的臺式計算機市場(chǎng)有很多相似之處，其中的一個(gè)特點(diǎn)就是非常分散?，F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(mǎn)足更廣泛應用的需求。因此，圖形化系統設計的關(guān)鍵因素是圖形化編程。 

 將設計方法學(xué)直接應用于實(shí)現 

 自1986年誕生以來(lái)，LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言已經(jīng)開(kāi)始簡(jiǎn)化了系統的復雜性，并在同一個(gè)平臺上提供采集、分析和顯示等功能，在使用計算能力對處理過(guò)程自動(dòng)化的同時(shí)，允許在研發(fā)原型，制造和測試過(guò)程中對軟硬件的重用，彌補了原先因為原型、制造和測試三個(gè)步驟間因工具不同而造成的這一鴻溝。在所有涉及到數據采集和控制的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化方式都已經(jīng)成為標準的開(kāi)發(fā)工具。從那時(shí)開(kāi)始，我們就一直向這個(gè)編程環(huán)境添加功能上的改進(jìn)，現在LabVIEW在已有的定時(shí)循環(huán)結構上新加了硬件定時(shí)功能，它是一種表示時(shí)間和并行的語(yǔ)義?，F在，我們就可以通過(guò)點(diǎn)擊來(lái)設置操作系統優(yōu)先級，延時(shí)，循環(huán)速率等等；回想在文章前面所提到的向多處理器轉移的趨勢，現在我們可以憧憬使用可擴展的直觀(guān)圖形化編程，來(lái)開(kāi)發(fā)應用，并將處理過(guò)程分配到不同的處理器上。 

 新的NI LabVIEW嵌入式開(kāi)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，通過(guò)這個(gè)軟件和圖形化系統設計的理念，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)設計它們的應用，以解決各種問(wèn)題。 

 領(lǐng)域專(zhuān)家－在某個(gè)科學(xué)或工程領(lǐng)域的專(zhuān)家，但不一定是嵌入式的程序員－一般使用不同的模型或工具解決他們學(xué)術(shù)上或工程上的問(wèn)題。例如，開(kāi)發(fā)引擎控制單元(ECU)的工程師可能使用狀態(tài)圖來(lái)對引擎控制單元的功能進(jìn)行圖形化的描述。這位工程師可能是一個(gè)控制理論方面的專(zhuān)家，但是卻可能沒(méi)有任何嵌入式或C編程方面的經(jīng)驗。直到現在，嵌入式應用的實(shí)現仍然需要深入了解關(guān)于嵌入式編程工具，如C語(yǔ)言等方面的知識。因此，很多領(lǐng)域專(zhuān)家要實(shí)現他們的解決方案，甚至只是簡(jiǎn)單的驗證一個(gè)概念仍然要依賴(lài)專(zhuān)門(mén)的嵌入式開(kāi)發(fā)人員。這個(gè)存在于領(lǐng)域專(zhuān)家和嵌入式程序員之間的鴻溝，使得開(kāi)發(fā)時(shí)間增加，而且容易在系統中引入錯誤。 

 LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊在設計和實(shí)現間的鴻溝之上架起了一座橋梁。領(lǐng)域的專(zhuān)家現在可以使用相同環(huán)境快速地設計算法，對定制的設計進(jìn)行原型設計，將他們的解決方案在所選的目標上實(shí)現，并進(jìn)行調試——所有這些過(guò)程都是通過(guò)圖形化方式實(shí)現的。 

 開(kāi)發(fā)與目標無(wú)關(guān)的代碼 

 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。  

 

 
                                 圖1：LabVIEW 開(kāi)發(fā)界面
 

 但是，使用LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊，工程師和科學(xué)家們不需了解最終的目標，就可以進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)，因為軟件生成的是LabVIEW應用的ANSI C代碼，而不是針對某個(gè)特定目標的二進(jìn)制代碼。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實(shí)時(shí)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。 

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

 使用LabVIEW嵌入式特性縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間 

 LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊構建在自L(fǎng)abVIEW誕生以來(lái)近20年的創(chuàng )新精神之上，幫助工程師和科學(xué)家們利用數百個(gè)內建的庫函數，涵蓋高等算法、文件I/O、邏輯和信號處理各個(gè)方面。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)（Inline C Node）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。 

 除了用于快速調試的內建圖形化用戶(hù)接口顯示件、探針、斷點(diǎn)和函數步進(jìn)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”（instrumented debugging），以便于通過(guò)TCP/IP、RS232,或CAN進(jìn)行調試。使用內建的片上調試接口，工程師可以通過(guò)工業(yè)標準協(xié)議，如JTAG、BDI和Nexus等，進(jìn)行調試，同時(shí)不影響程序性能。 

 LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊使領(lǐng)域專(zhuān)家可以使用現有的技術(shù)進(jìn)行更多的應用，使用同一環(huán)境進(jìn)行算法設計、原型，實(shí)現他們的解決方案，極大地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和產(chǎn)品上市時(shí)間。 

 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NI CompactRIO平臺，他們可以快速而便捷地創(chuàng )建嵌入式系統的原型。NI現有的一個(gè)成功案例就是幫助汽車(chē)控制和數據采集解決方案的提供商--Drivven公司通過(guò)NI CompactRIO對基于FPGA的2004 Yamaha YZF-R6摩托車(chē)引擎控制系統設計原型，他們的目標是為基于FPGA傳動(dòng)控制器提供一條無(wú)縫的從原型設計到生產(chǎn)的路徑。對于這個(gè)項目，Drivven在軟件上使用LabVIEW；在硬件上選擇了一個(gè)4插槽的NI CompactRIO嵌入式系統，因為它靈活性強、體積小巧而且波形因數穩定。利用這一系統，他們可以在輕松地添加傳感器和激勵器的同時(shí)快速且便捷地觀(guān)察數據，除此之外，還可以在一個(gè)超級運動(dòng)型摩托車(chē)上利用的極為有限的空間放置控制器。這個(gè)項目包含三個(gè)主要的階段: 1，通過(guò)自定義I/O模塊的開(kāi)發(fā)。共有三個(gè)自定義I/O模塊監視著(zhù)所有摩托車(chē)的傳感器并控制它的激勵器，此外現在正在開(kāi)發(fā)其他的CompactRIO的模塊以用于傳動(dòng)控制應用，包括用于驅動(dòng)電子節流閥的模塊和與通用的廢氣氧氣傳感器連接的模塊。2，映射工廠(chǎng)級ECU（Factory ECU）。把ECU數據記錄在1MB的文件上（在每分鐘一個(gè)文件的速率下高達20個(gè)文件）同時(shí)在許多種不同的節流閥位置和引擎速率（接近700個(gè)操作點(diǎn)）的組合下駕駛摩托車(chē)從而完整地映射了工廠(chǎng)級ECU（Factory ECU）的性能。駕駛員仔細地駕駛著(zhù)摩托車(chē)，以盡可能的減少瞬時(shí)操作。在一輛跟隨的汽車(chē)里的工程師則周期地以無(wú)線(xiàn)的方式從CompactRIO接收數據文件，傳輸至一臺筆記本電腦并且立即分析這些數據以覆蓋所有操作點(diǎn)。一個(gè)基于筆記本電腦的NI LabVIEW應用程序迅速地將數據分類(lèi)至速度/負載操作表，與此同時(shí)濾除瞬時(shí)數據。對每一個(gè)操作點(diǎn)都從這些數據計算出平均和標準的偏差。在兩個(gè)小時(shí)里，這個(gè)團隊采集了90%摩托車(chē)的操作點(diǎn)的數據，這對于全面理解工廠(chǎng)級ECU的映射是一個(gè)足夠充分的覆蓋。后來(lái)，在實(shí)驗室里，工程師又使用LabVIEW對這些數據進(jìn)行處理，在圖形化地修改原始數據以填充丟失的操作點(diǎn)的同時(shí)提供了3維和2維的可視化信息。3，引擎控制。在最后階段，Drivven使用CompactRIO對一個(gè)研究性質(zhì)的ECU進(jìn)行原型設計，它的性能可以與工廠(chǎng)級ECU相媲美，但是卻提供了可以實(shí)施未來(lái)控制算法研究和開(kāi)發(fā)的功能（這對使用生產(chǎn)目的的電子是不可能的）。利用CompactRIO，Drivven實(shí)現了許多引擎管理FPGA核，它們都具有可配置的LabVIEW FPGA圖表并放置在方框圖里。使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，實(shí)現了速度－密度和alpha-N引擎控制策略（經(jīng)常用于高性能的賽車(chē)場(chǎng)合）的結合。所以說(shuō)，Compact RIO和LabVIEW提供了所需的可靠性和精確的定時(shí)資源，而且這個(gè)系統具有足夠穩定性來(lái)承受工作環(huán)境的高溫和高振動(dòng)。如果讀者想要閱讀完整的解決方案，請訪(fǎng)問(wèn)ni.com/china，輸入信息碼（info code）cn5k8t。 

 另外使用LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊，還可以制造嵌入式板卡并部署到任意的32位微處理器。正如LabVIEW使工程師們可以開(kāi)發(fā)定制的虛擬儀器，而不再依賴(lài)供應商定義的臺式儀器，從而在測試和測量領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命一樣，LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊使得業(yè)內專(zhuān)家可以使用他們的專(zhuān)業(yè)知識開(kāi)發(fā)嵌入式應用，而不需要再依賴(lài)嵌入式方面的專(zhuān)家。  

 
            
 
                             NI嵌入式開(kāi)發(fā)模塊示意圖
 
隨著(zhù)嵌入式系統設計的復雜性日益增加，圖形化方式是一個(gè)必然的趨勢，它正在對嵌入式設計進(jìn)行重新的定義，使更多的工程師可以以一種前所未有的方式使用嵌入式開(kāi)發(fā)，從而使設計的速度和質(zhì)量得到提高。將分散的市場(chǎng)整合、采用標準和現成可用的技術(shù)，并發(fā)布集成的、易用的軟硬件平臺——這就是NI多年來(lái)所持之以恒的運營(yíng)模式。圖形化系統設計，這是一個(gè)將嵌入式設計推向更廣大受眾的平臺，我們通過(guò)一個(gè)統一的圖形化工具提供這種功能，這種工具能將領(lǐng)域專(zhuān)家從越發(fā)復雜的嵌入式設計中解脫出來(lái)。從設計、原型到實(shí)現的整個(gè)過(guò)程中，使用統一的設計工具無(wú)疑將會(huì )大大提升整個(gè)設計過(guò)程的效率。