基于LabVIEW的32位處理器嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)

隨著32位多核處理器應(yīng)用逐漸走熱，設(shè)計者正面臨著新的挑戰(zhàn)， 業(yè)內(nèi)專家指出面向角色（actor-oriented）的圖形化方法是更適合嵌入式軟件設(shè)計的工具。NI 的LabVIEW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，通過這個軟件和圖形化系統(tǒng)設(shè)計的理念，原先無法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進入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)計它們的應(yīng)用，以解決各種問題。本文對該開發(fā)工具進行了介紹。

隨著嵌入式系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，設(shè)計者正面臨著新的挑戰(zhàn)：隨著基于32位微控制器(MCU)的嵌入式系統(tǒng)的成本向16位系統(tǒng)逐步接近，在許多高級應(yīng)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(tǒng)（SoC）。此外，由于單純通過CPU的性能提升來增加整個系統(tǒng)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(zhuǎn)向了多核心架構(gòu)。從Dell在幾個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。從消費者和用戶的觀點上來看，處理性能的提升是一樣的。但是，從一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的觀點來看，設(shè)計將變得更加復(fù)雜，因為您必須了解如何在多處理器環(huán)境下開發(fā)和分割您的應(yīng)用。根據(jù)十年前的估計，嵌入式系統(tǒng)的平均代碼量為10萬行。到2001年，這個數(shù)字實際已經(jīng)超過了100萬，而現(xiàn)在的數(shù)字估計為500萬。

現(xiàn)在我們將視線轉(zhuǎn)移到當前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具上來，隨著復(fù)雜度的逐漸上升，現(xiàn)在傳統(tǒng)工具很難降低編程工作的復(fù)雜度，嵌入式領(lǐng)域需要另一種方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)不僅是工具方面的，還有解決問題的途徑：基于文本編程的嵌入式應(yīng)用開發(fā)在將來不可能解決這些問題。這已經(jīng)是許多業(yè)內(nèi)專家的共識；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(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)手段如基于文本編程和面向?qū)ο蟮墓ぞ叨茧y以用來構(gòu)建嵌入式實時系統(tǒng)，因為面向?qū)ο蠛茈y直觀地表達時間和平行性（parallelism），而時間和平行性或并行（concurrency）在現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)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(shè)計的工具。

雖然嵌入式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)越來越嚴峻，但是現(xiàn)在已經(jīng)有了許多解決的方向。許多供應(yīng)商采取了將底層工具的設(shè)計抽象出來的辦法。這種方法每前進一步，都會吸引更多的用戶。另一個方向是可以更徹底地解決面臨的挑戰(zhàn)，也就是向基于平臺的工具轉(zhuǎn)移，它能夠更好地表達整個系統(tǒng)，而減少與特定硬件的相關(guān)性，這使得更多的軟件設(shè)計容易理解并被重復(fù)使用，而從基于文本的工具向圖形化工具的轉(zhuǎn)移則可以直觀地表達系統(tǒng)，并解決系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。圖形化系統(tǒng)設(shè)計（Graphical System Design）的理念就是源于這些趨勢。通過簡化嵌入式編程的復(fù)雜性，它降低了對領(lǐng)域?qū)＜以谇度胧皆O(shè)計流程中各個步驟的要求；同時提供了從設(shè)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行重復(fù)設(shè)計。

盡管市場上的工具都在向圖形化的方向轉(zhuǎn)變，但由于它們是針對特定領(lǐng)域特定應(yīng)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(zhàn)的。事實上，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)市場與八十年代早期的臺式計算機市場有很多相似之處，其中的一個特點就是非常分散。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。

將設(shè)計方法學(xué)直接應(yīng)用于實現(xiàn)

自1986年誕生以來，LabVIEW圖形化編程語言已經(jīng)開始簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并在同一個平臺上提供采集、分析和顯示等功能，在使用計算能力對處理過程自動化的同時，允許在研發(fā)原型，制造和測試過程中對軟硬件的重用，彌補了原先因為原型、制造和測試三個步驟間因工具不同而造成的這一鴻溝。在所有涉及到數(shù)據(jù)采集和控制的領(lǐng)域里，LabVIEW圖形化方式都已經(jīng)成為標準的開發(fā)工具。從那時開始，我們就一直向這個編程環(huán)境添加功能上的改進，現(xiàn)在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。現(xiàn)在，我們就可以通過點擊來設(shè)置操作系統(tǒng)優(yōu)先級，延時，循環(huán)速率等等；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。

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，通過這個軟件和圖形化系統(tǒng)設(shè)計的理念，原先無法利用到嵌入式編程的工程師們都可以進入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)計它們的應(yīng)用，以解決各種問題。

領(lǐng)域?qū)＜遥谀硞€科學(xué)或工程領(lǐng)域的專家，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)上或工程上的問題。例如，開發(fā)引擎控制單元(ECU)的工程師可能使用狀態(tài)圖來對引擎控制單元的功能進行圖形化的描述。這位工程師可能是一個控制理論方面的專家，但是卻可能沒有任何嵌入式或C編程方面的經(jīng)驗。直到現(xiàn)在，嵌入式應(yīng)用的實現(xiàn)仍然需要深入了解關(guān)于嵌入式編程工具，如C語言等方面的知識。因此，很多領(lǐng)域?qū)＜乙獙崿F(xiàn)他們的解決方案，甚至只是簡單的驗證一個概念仍然要依賴專門的嵌入式開發(fā)人員。這個存在于領(lǐng)域?qū)＜液颓度胧匠绦騿T之間的鴻溝，使得開發(fā)時間增加，而且容易在系統(tǒng)中引入錯誤。

LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊在設(shè)計和實現(xiàn)間的鴻溝之上架起了一座橋梁。領(lǐng)域的專家現(xiàn)在可以使用相同環(huán)境快速地設(shè)計算法，對定制的設(shè)計進行原型設(shè)計，將他們的解決方案在所選的目標上實現(xiàn)，并進行調(diào)試——所有這些過程都是通過圖形化方式實現(xiàn)的。

開發(fā)與目標無關(guān)的代碼

嵌入式目標本身要求程序員在編寫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(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)品的擴展性方面是有缺陷的。

圖1：LabVIEW 開發(fā)界面

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，就可以進行代碼開發(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的二進制代碼。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實時庫函數(shù)和板卡支持程序包（BSP）編譯成為針對某一目標并能在這個目標上運行的二進制代碼。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。

與目標無關(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。

使用LabVIEW嵌入式特性縮短開發(fā)時間

LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊構(gòu)建在自LabVIEW誕生以來近20年的創(chuàng)新精神之上，幫助工程師和科學(xué)家們利用數(shù)百個內(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。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（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)。

除了用于快速調(diào)試的內(nèi)建圖形化用戶接口顯示件、探針、斷點和函數(shù)步進之外，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)標準協(xié)議，如JTAG、BDI和Nexus等，進行調(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)進行更多的應(yīng)用，使用同一環(huán)境進行算法設(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。
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，他們可以快速而便捷地創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)的原型。NI現(xiàn)有的一個成功案例就是幫助汽車控制和數(shù)據(jù)采集解決方案的提供商--Drivven公司通過NI CompactRIO對基于FPGA的2004 Yamaha YZF-R6摩托車引擎控制系統(tǒng)設(shè)計原型，他們的目標是為基于FPGA傳動控制器提供一條無縫的從原型設(shè)計到生產(chǎn)的路徑。對于這個項目，Drivven在軟件上使用LabVIEW；在硬件上選擇了一個4插槽的NI CompactRIO嵌入式系統(tǒng)，因為它靈活性強、體積小巧而且波形因數(shù)穩(wěn)定。利用這一系統(tǒng)，他們可以在輕松地添加傳感器和激勵器的同時快速且便捷地觀察數(shù)據(jù)，除此之外，還可以在一個超級運動型摩托車上利用的極為有限的空間放置控制器。這個項目包含三個主要的階段: 1，通過自定義I/O模塊的開發(fā)。共有三個自定義I/O模塊監(jiān)視著所有摩托車的傳感器并控制它的激勵器，此外現(xiàn)在正在開發(fā)其他的CompactRIO的模塊以用于傳動控制應(yīng)用，包括用于驅(qū)動電子節(jié)流閥的模塊和與通用的廢氣氧氣傳感器連接的模塊。2，映射工廠級ECU（Factory ECU）。把ECU數(shù)據(jù)記錄在1MB的文件上（在每分鐘一個文件的速率下高達20個文件）同時在許多種不同的節(jié)流閥位置和引擎速率（接近700個操作點）的組合下駕駛摩托車從而完整地映射了工廠級ECU（Factory ECU）的性能。駕駛員仔細地駕駛著摩托車，以盡可能的減少瞬時操作。在一輛跟隨的汽車里的工程師則周期地以無線的方式從CompactRIO接收數(shù)據(jù)文件，傳輸至一臺筆記本電腦并且立即分析這些數(shù)據(jù)以覆蓋所有操作點。一個基于筆記本電腦的NI LabVIEW應(yīng)用程序迅速地將數(shù)據(jù)分類至速度/負載操作表，與此同時濾除瞬時數(shù)據(jù)。對每一個操作點都從這些數(shù)據(jù)計算出平均和標準的偏差。在兩個小時里，這個團隊采集了90%摩托車的操作點的數(shù)據(jù)，這對于全面理解工廠級ECU的映射是一個足夠充分的覆蓋。后來，在實驗室里，工程師又使用LabVIEW對這些數(shù)據(jù)進行處理，在圖形化地修改原始數(shù)據(jù)以填充丟失的操作點的同時提供了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對一個研究性質(zhì)的ECU進行原型設(shè)計，它的性能可以與工廠級ECU相媲美，但是卻提供了可以實施未來控制算法研究和開發(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實現(xiàn)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實時模塊，實現(xiàn)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場合）的結(jié)合。所以說，Compact RIO和LabVIEW提供了所需的可靠性和精確的定時資源，而且這個系統(tǒng)具有足夠穩(wěn)定性來承受工作環(huán)境的高溫和高振動。如果讀者想要閱讀完整的解決方案，請訪問ni.com/china，輸入信息碼（info code）cn5k8t。

另外使用LabVIEW嵌入式開發(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使工程師們可以開發(fā)定制的虛擬儀器，而不再依賴供應(yīng)商定義的臺式儀器，從而在測試和測量領(lǐng)域掀起一場革命一樣，LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊使得業(yè)內(nèi)專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。

NI嵌入式開發(fā)模塊示意圖

隨著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性日益增加，圖形化方式是一個必然的趨勢，它正在對嵌入式設(shè)計進行重新的定義，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發(fā)，從而使設(shè)計的速度和質(zhì)量得到提高。將分散的市場整合、采用標準和現(xiàn)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多年來所持之以恒的運營模式。圖形化系統(tǒng)設(shè)計，這是一個將嵌入式設(shè)計推向更廣大受眾的平臺，我們通過一個統(tǒng)一的圖形化工具提供這種功能，這種工具能將領(lǐng)域?qū)＜覐脑桨l(fā)復(fù)雜的嵌入式設(shè)計中解脫出來。從設(shè)計、原型到實現(xiàn)的整個過程中，使用統(tǒng)一的設(shè)計工具無疑將會大大提升整個設(shè)計過程的效率。