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

傳統(tǒng)設(shè)計模式所應(yīng)對的挑戰(zhàn)

嵌入式系統(tǒng)正在滲入現(xiàn)代社會的各個方面，廣泛地應(yīng)用于航空航天、通信設(shè)備、消費電子、工業(yè)控制、汽車、船舶等領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，在美國平均每個中產(chǎn)階級家庭要使用40~50個嵌入式系統(tǒng)。巨大的市場需求推動了嵌入式系統(tǒng)向更高的技術(shù)水平發(fā)展。設(shè)計師們一方面采用性能更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片取代傳統(tǒng)的8位、16位微處理器；另一方面嵌入式系統(tǒng)也由單處理器單操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)向混合型Multi-core系統(tǒng)發(fā)展，通過采用多個處理器和OS提高系統(tǒng)并行度來提高系統(tǒng)運行效能，并且設(shè)計師們往往同時采用MPU、DSP和FPGA等多種可編程器件來增強處理能力，滿足應(yīng)用功能的升級。

嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加給設(shè)計師們帶來了很大的挑戰(zhàn)，代碼長度呈指數(shù)級增加，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年實際已經(jīng)超過了100萬，而現(xiàn)在估計為500萬。第三方獨立市場預(yù)測機構(gòu)EMF在對900多名嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員進行調(diào)研后指出，超過50%的嵌入式設(shè)計比預(yù)期時間晚上市，而平均延遲高達4個月；在已發(fā)布的產(chǎn)品中，有近30%的設(shè)計未達到預(yù)期的功能和指標(biāo)。由此可見，隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，軟件工程的重要性毋庸置疑，而大部分的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員都缺乏這方面的專業(yè)訓(xùn)練。與此同時，隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多領(lǐng)域的專家比如機器人設(shè)計師、控制工程師、測試工程師需要使用嵌入式技術(shù)來構(gòu)建他們的系統(tǒng)，他們既缺乏嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)知識，也不一定經(jīng)過軟件工程的專業(yè)訓(xùn)練。因此，無論是嵌入式系統(tǒng)本身的發(fā)展，還是開發(fā)人員的專業(yè)限制，都需要一種新的設(shè)計模式和解決問題的途徑來應(yīng)對目前的挑戰(zhàn)。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具的發(fā)展趨勢

隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展和復(fù)雜性的不斷增加，基于文本的編程方式所面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)嚴峻，這種編程模式在將來不可能徹底解決問題。加州大學(xué)伯克利分校嵌入式研究專家Edward Lee博士指出，現(xiàn)有的嵌入式系統(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。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。

應(yīng)對嵌入式系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，工程師們已經(jīng)有了一些解決的方向，比如采用實時多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性、簡化應(yīng)用程序設(shè)計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。但是現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具非常多，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，在其上運行的操作系統(tǒng)環(huán)境也非常多樣化，包括VxWorks、QNX、Linux、 Nuclears、WinCE等等。不僅各種操作系統(tǒng)有各自的開發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開發(fā)的不同階段也有不同的開發(fā)工具。如在用戶的目標(biāo)板開發(fā)初期，需要硬件仿真器來調(diào)試硬件系統(tǒng)和基本的驅(qū)動程序，在調(diào)試應(yīng)用程序階段可以使用交互式的開發(fā)環(huán)境進行軟件調(diào)試，在測試階段需要一些專門的測試工具軟件進行功能和性能的測試等等。最合理的解決方案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)，減少與特定硬件以及操作系統(tǒng)的相關(guān)性，使更多的軟件設(shè)計和算法容易理解并被重復(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)，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(Graphical System Design）的理念就是源于這兩大趨勢。通過簡化嵌入式編程的復(fù)雜性，降低了對工程師在嵌入式設(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，從軟件調(diào)試、功能測試到生產(chǎn)檢測的統(tǒng)一環(huán)境，使得工程師們可以更快速地進行重復(fù)設(shè)計。

在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)圖形化已經(jīng)成為大勢所趨，現(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，這不足以徹底解決行業(yè)將要面臨的挑戰(zhàn)的。現(xiàn)在市場需要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圖形化編程語言使沒有太多軟件背景的技術(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)擴展到嵌入式對象，比如FPGA或微處理器，就可以發(fā)現(xiàn)通過編程環(huán)境的一致性和可升級性，LabVIEW能夠容易地實現(xiàn)和管理嵌入式系統(tǒng)的并行性?；叵朐谖恼虑懊嫠岬降南蚨嗵幚砥鬓D(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。

圖1 LabView對兩個并行任務(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。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、控制模型、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)用中進一步簡化設(shè)計師的工作。

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，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。

例如Boston Engineering公司要開發(fā)一種牽力控制機用于數(shù)碼照片打印系統(tǒng)。其中，彩色墨盒通過驅(qū)動馬達饋送到打印頭，由卷帶電機和推進電機來控制牽力。切割機底盤的振動、每次打印的照片數(shù)目和每個電機的速度變化都會影響到底層的牽力。控制系統(tǒng)通過兩個電機的位置來保證卷帶和推進的牽力處于設(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，兩個編碼器將轉(zhuǎn)速反饋給電機，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(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上運行的代碼。另外，他們還使用這個工具包對原先的浮點算法進行了定點轉(zhuǎn)換，以節(jié)約FPGA 資源，并對量化后的模型進行測試、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)并能在之上運行的二進制代碼。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(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

LabVIEW嵌入式環(huán)境的調(diào)試功能非常強大。除了用于快速調(diào)試的圖形化用戶接口顯示件、探針、斷點和函數(shù)單點調(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。

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。

結(jié)語

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。