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概覽 將近50%的設計延遲或是無(wú)法面市；即便在推出之后，也仍有將近30%的設計宣告失敗 [1]。 導致類(lèi)似許多問(wèn)題的直接原因是：隨著(zhù)平均代碼長(cháng)度在過(guò)去5年增長(cháng)了近10倍，嵌入式系統日趨復雜 [2]。 此外，隨著(zhù)嵌入式系統日益普及，機器制造商、測試工程師、控制工程師等許多領(lǐng)域的專(zhuān)家都需要嵌入式技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)系統，而他們目前又都不具備開(kāi)發(fā)嵌入式系統的技能。 隨著(zhù)系統日趨復雜，隨著(zhù)需要該技術(shù)的非嵌入式專(zhuān)家日益增多，人們迫切需要一種新的嵌入式設計方法。 圖形化系統設計革命性地解決了設計問(wèn)題，它將直觀(guān)的圖形化編程和靈活的商用現成(COTS)硬件融為一體，幫助工程師和科學(xué)家更有效地設計、建模、部署嵌入式系統。 您能通過(guò)圖形化系統設計，在設計的各個(gè)階段采用單一的環(huán)境，從而提高生產(chǎn)效率、節省成本，并向各領(lǐng)域的專(zhuān)家提供嵌入式技術(shù)。 嵌入式設計的圖形化編程 許多嵌入式系統可自主運行，需要并行處理許多有特殊定時(shí)要求的任務(wù)。 假設某個(gè)機器控制系統用以控制直線(xiàn)臺、旋轉多軸、控制照明并讀取視頻數據；在這樣一個(gè)系統中，則必須以確定、實(shí)時(shí)、并行的方式開(kāi)展多進(jìn)程。 若在此類(lèi)應用中采用C等傳統且基于文本的工具，會(huì )令復雜性立刻提高。 LabVIEW相反卻可借助自身功能，輕松開(kāi)發(fā)復雜編程和定時(shí)模型。 早在20多年之前，NI便創(chuàng )造出具有LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境形式的組件和技術(shù)。 LabVIEW通過(guò)編碼結構實(shí)現定時(shí)，完美地將定時(shí)融入代碼；若想表示并行只需如圖 1所示，拖入另一個(gè)循環(huán)。 
圖 1. LabVIEW的并行定時(shí)循環(huán)直觀(guān)地顯示出并行任務(wù) 文本代碼令各領(lǐng)域的眾多專(zhuān)家們難以實(shí)現該水平的定時(shí)與并行；而圖形化表示對于科學(xué)家和工程師而言，卻顯得更為清晰、更易訪(fǎng)問(wèn)。 如果LabVIEW范例被擴展至包括FPGA和微處理器的芯片，您會(huì )發(fā)現：LabVIEW還能以同樣的一致性和可升級性，輕松管理硅芯片的并行架構。 嵌入式系統設計的另一項關(guān)鍵需求是：軟件平臺應當用于實(shí)時(shí)嵌入式設計常用的各類(lèi)算法設計瀏覽。Edward Lee博士身為伯克利(Berkeley)地區加利福尼亞大學(xué)(University of California)在嵌入式軟件平臺方面的研究領(lǐng)袖，將設計瀏覽統統視作運算模型 [3]。 這些運算模型與系統設計師瀏覽系統的方式匹配，最大程度降低了將系統要求轉換為軟件設計的復雜性。 在過(guò)去的幾年里，LabVIEW已經(jīng)擴展性地納入了多種運算模型，從而更好滿(mǎn)足了嵌入式系統設計師及其各種技術(shù)裝置的需求。 LabVIEW現已包括基于文本的數學(xué)、連續時(shí)間仿真、狀態(tài)圖和圖形化數據流模式，用以代表各類(lèi)算法。 LabVIEW還納入交互式工具，從而推進(jìn)數字濾波器、控制模型、數字信號處理算法的設計體驗，令此類(lèi)垂直應用的設計更為簡(jiǎn)易。 現在，我們將拭目以待，見(jiàn)證您如何在靈活的COTS硬件平臺上實(shí)施這些算法，并極大地降低第一次建模的時(shí)間。 商用現成建模平臺 如前所述，由于許多設計延遲或是根本無(wú)法面市，甚至更糟；由于設計會(huì )在推出之后宣告失敗，我們必須采取行動(dòng)，確保以更短的時(shí)間獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。 一舉兩得的途徑之一便是：通過(guò)更快地在設計中集成實(shí)際信號和實(shí)際硬件，更好地建模系統，從而實(shí)現優(yōu)質(zhì)設計的迭代并能更早發(fā)現（并解決）問(wèn)題。 如圖 2的設計過(guò)程所示，LabVIEW FPGA模塊能夠將LabVIEW設計下載到NI的FPGA硬件上；LabVIEW已能夠通過(guò)該模塊，將算法設計與邏輯設計相互結合。 現在我們可以集中精力，探尋縮短硬件路徑的效率與手段。
圖 2. 反映軟件和硬件獨立設計過(guò)程的典型性嵌入式系統軟硬件設計過(guò)程 目前，若您在為最終的部署創(chuàng )建自定義硬件，則很難并行開(kāi)發(fā)軟件和硬件。因為只有進(jìn)入系統集成階段，軟件方能在實(shí)際的硬件上接受測試。 此外，您并不希望進(jìn)行純理論型的軟件開(kāi)發(fā)；在系統集成測試階段納入I/O并通過(guò)實(shí)際信號測試設計，可能造成：發(fā)現問(wèn)題時(shí)為時(shí)已晚，因而無(wú)法按時(shí)完成設計。 許多設計者目前采用測試板卡一類(lèi)的方式，建模系統。 然而，此類(lèi)板卡往往只包括少數的模擬和數字I/O通道，很少包括視覺(jué)、運動(dòng)或同步I/O的能力。此外，設計師往往只是為證明概念，便不得不將時(shí)間浪費在開(kāi)發(fā)傳感器或特定I/O的自定義板卡上。 如圖 3 所示，通過(guò)靈活的COTS建模平臺，您卻能真正簡(jiǎn)化該過(guò)程，并省去許多配合硬件驗證和板卡設計的工作。 當今，任何人都能步入電子商店，插接內存、主板、外設等組件，創(chuàng )建PC；圖形化系統設計與PC非常類(lèi)似，力爭實(shí)現同樣標準的建模平臺。
圖3. 圖形化系統設計流水線(xiàn)開(kāi)發(fā)流程 對于許多系統而言，建模平臺必須納入與最終發(fā)布完畢的系統相同的組件。 這些組件通常是：用于執行確定算法的實(shí)時(shí)處理器、用于高速處理或將實(shí)時(shí)處理器連至其他組件的可編程數字邏輯，以及各類(lèi)I/O與外設 [圖 4]。最后，若暢銷(xiāo)I/O在與各個(gè)系統配合使用時(shí)，無(wú)法滿(mǎn)足您的全部需要，平臺也應能在需要時(shí)得到擴展并接受定制。
圖 4. 嵌入式系統的典型組件 National Instruments公司提供了數種類(lèi)型的建模平臺，其中包括NI CompactRIO。該平臺含有嵌入式系統的所有基本模塊。 該控件包含一個(gè)運行實(shí)時(shí)操作系統的32位處理器。 CompactRIO背板包含的FPGA可執行高速處理，且為包含模擬輸入與輸出、數字輸入與輸出、計數器/定時(shí)器等功能的I/O模塊，配置并提供實(shí)際接口。 每個(gè)模塊都包括：與傳感器和激勵器的直接連接，以及內置的信號調理與隔離。 同時(shí)包括的模塊開(kāi)發(fā)包令開(kāi)發(fā)者通過(guò)平臺擴展，納入自定義模塊——全部插入該COTS架構。 此外，CompactRIO采用工業(yè)化封裝（-40 ºC到70 ºC，50G防振動(dòng)）、占地�。�3.5英寸 x 3.5英寸 x 7.1英寸）、供電要求低（典型的7W到10W），這使它不僅非常適于建模，而且非常適于車(chē)載、機器控制和板載預測性維護應用的部署。 自定義部署功能 如前所述，由于包裝、耐用性和成本方面的優(yōu)勢，CompactRIO常用作建模和部署。 然而，用戶(hù)有時(shí)會(huì )因為規格或供電因素，選擇更小的自定義板卡設計。 為滿(mǎn)足該需求，設計師可通過(guò)LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊，將代碼部署于任一32位處理器，從而節省軟件購買(mǎi)成本。 LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)模塊結合了圖形化開(kāi)發(fā)的上述所有優(yōu)點(diǎn)，以及現成的分析函數、集成式I/O和交互式圖形化調試。 該模塊能夠將任一32位微處理器作為對象；由它提供的框架能夠開(kāi)放地集成各類(lèi)目前以C為基礎的第三方工具鏈(tool chain)和操作系統，從而將自定義板卡設計作為對象。 一經(jīng)集成，用戶(hù)便能實(shí)現100%的圖形化開(kāi)發(fā)，并交互式地調試其應用。 通過(guò)將生成的代碼與目前市場(chǎng)上的所有目標集成，用戶(hù)可以最為靈活地實(shí)現最多的目標功能。 這種新技術(shù)使越來(lái)越多的科學(xué)家、工程師和各領(lǐng)域的專(zhuān)家，能夠更為便捷地設計算法、開(kāi)發(fā)應用、編程邏輯、建模系統并將系統部署于指定的對象。 結論 電子系統設計的新方法現已誕生。 圖形化系統設計帶來(lái)了結合硬件平臺的軟件平臺，這能夠極大縮減開(kāi)發(fā)成本和面市時(shí)間。 集成多種運算模型的軟件平臺，最大程度地縮短了將項目指標實(shí)現為具體設計的時(shí)間。 靈活的COTS硬件建模平臺可支持軟件平臺并提供自定義組件，通過(guò)縮減自定義硬件的設計時(shí)間和設計成本，最大程度地縮短第一次建模的時(shí)間。 此外，通過(guò)實(shí)際I/O的建模保證了更優(yōu)質(zhì)的設計——減少了目前的設計失誤。 最后，由于圖形化軟件從設計到平臺建模，到最終的目標部署均保持一致，從而使代碼利用率達到最高，并且使得向最終部署的轉換簡(jiǎn)單易行。 借助LabVIEW，您便能通過(guò)單一的圖形化平臺，對嵌入式系統進(jìn)行設計、建模和部署。 參考文獻： [1] Embedded Software Development: Issues and Challenges. July 2003. [2] http://www.techonline.com/community/related_content/21543 [3] Dr. Edward A. Lee, Advances in Computers (M. Zelkowitz, editor), Vol 56, Academic Press, London, 2002 NI公司供稿 |
