嵌入式設(shè)計(jì)的圖形化編程基礎(chǔ)知識總結(jié)

將近50%的設(shè)計(jì)延遲或是無法面市;即便在推出之后，也仍有將近30%的設(shè)計(jì)宣告失敗 。 導(dǎo)致類似許多問題的直接原因是：隨著平均代碼長度在過去5年增長了近10倍，嵌入式系統(tǒng)日趨復(fù)雜 此外，隨著嵌入式系統(tǒng)日益普及，機(jī)器制造商、測試工程師、控制工程師等許多領(lǐng)域的專家都需要嵌入式技術(shù)來開發(fā)系統(tǒng)，而他們目前又都不具備開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的技能。 隨著系統(tǒng)日趨復(fù)雜，隨著需要該技術(shù)的非嵌入式專家日益增多，人們迫切需要一種新的嵌入式設(shè)計(jì)方法。 圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)革命性地解決了設(shè)計(jì)問題，它將直觀的圖形化編程和靈活的商用現(xiàn)成(COTS)硬件融為一體，幫助工程師和科學(xué)家更有效地設(shè)計(jì)、建模、部署嵌入式系統(tǒng)。 您能通過圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段采用單一的環(huán)境，從而提高生產(chǎn)效率、節(jié)省成本，并向各領(lǐng)域的專家提供嵌入式技術(shù)。

嵌入式設(shè)計(jì)的圖形化編程

許多嵌入式系統(tǒng)可自主運(yùn)行，需要并行處理許多有特殊定時(shí)要求的任務(wù)。 假設(shè)某個(gè)機(jī)器控制系統(tǒng)用以控制直線臺、旋轉(zhuǎn)多軸、控制照明并讀取視頻數(shù)據(jù);在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，則必須以確定、實(shí)時(shí)、并行的方式開展多進(jìn)程。 若在此類應(yīng)用中采用C等傳統(tǒng)且基于文本的工具，會令復(fù)雜性立刻提高。

LabVIEW相反卻可借助自身功能，輕松開發(fā)復(fù)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圖形化開發(fā)環(huán)境形式的組件和技術(shù)。 LabVIEW通過編碼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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)。

目前，若您在為最終的部署創(chuàng)建自定義硬件，則很難并行開發(fā)軟件和硬件。因?yàn)橹挥羞M(jìn)入系統(tǒng)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發(fā);在系統(tǒng)集成測試階段納入I/O并通過實(shí)際信號測試設(shè)計(jì)，可能造成：發(fā)現(xiàn)問題時(shí)為時(shí)已晚，因而無法按時(shí)完成設(shè)計(jì)。

許多設(shè)計(jì)者目前采用測試板卡一類的方式，建模系統(tǒng)。 然而，此類板卡往往只包括少數(shù)的模擬和數(shù)字I/O通道，很少包括視覺、運(yùn)動或同步I/O的能力。此外，設(shè)計(jì)師往往只是為證明概念，便不得不將時(shí)間浪費(fèi)在開發(fā)傳感器或特定I/O的自定義板卡上。

通過靈活的COTS建模平臺，您卻能真正簡化該過程，并省去許多配合硬件驗(yàn)證和板卡設(shè)計(jì)的工作。 當(dāng)今，任何人都能步入電子商店，插接內(nèi)存、主板、外設(shè)等組件，創(chuàng)建PC;圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與PC非常類似，力爭實(shí)現(xiàn)同樣標(biāo)準(zhǔn)的建模平臺。

對于許多系統(tǒng)而言，建模平臺必須納入與最終發(fā)布完畢的系統(tǒng)相同的組件。 這些組件通常是：用于執(zhí)行確定算法的實(shí)時(shí)處理器、用于高速處理或?qū)?shí)時(shí)處理器連至其他組件的可編程數(shù)字邏輯，以及各類I/O與外設(shè) [圖 4]。最后，若暢銷I/O在與各個(gè)系統(tǒng)配合使用時(shí)，無法滿足您的全部需要，平臺也應(yīng)能在需要時(shí)得到擴(kuò)展并接受定制。

National Instruments公司提供了數(shù)種類型的建模平臺，其中包括NI CompactRIO。該平臺含有嵌入式系統(tǒng)的所有基本模塊。 該控件包含一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的32位處理器。 CompactRIO背板包含的FPGA可執(zhí)行高速處理，且為包含模擬輸入與輸出、數(shù)字輸入與輸出、計(jì)數(shù)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(lì)器的直接連接，以及內(nèi)置的信號調(diào)理與隔離。 同時(shí)包括的模塊開發(fā)包令開發(fā)者通過平臺擴(kuò)展，納入自定義模塊——全部插入該COTS架構(gòu)。

此外，CompactRIO采用工業(yè)化封裝(-40 ?C到70 ?C，50G防振動)、占地小(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，而且非常適于車載、機(jī)器控制和板載預(yù)測性維護(hù)應(yīng)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，用戶有時(shí)會因?yàn)橐?guī)格或供電因素，選擇更小的自定義板卡設(shè)計(jì)。 為滿足該需求，設(shè)計(jì)師可通過LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊，將代碼部署于任一32位處理器，從而節(jié)省軟件購買成本。

LabVIEW嵌入式開發(fā)模塊結(jié)合了圖形化開發(fā)的上述所有優(yōu)點(diǎn)，以及現(xiàn)成的分析函數(shù)、集成式I/O和交互式圖形化調(diào)試。 該模塊能夠?qū)⑷我?2位微處理器作為對象;由它提供的框架能夠開放地集成各類目前以C為基礎(chǔ)的第三方工具鏈(tool chain)和操作系統(tǒng)，從而將自定義板卡設(shè)計(jì)作為對象。 一經(jīng)集成，用戶便能實(shí)現(xiàn)100%的圖形化開發(fā)，并交互式地調(diào)試其應(yīng)用。 通過將生成的代碼與目前市場上的所有目標(biāo)集成，用戶可以最為靈活地實(shí)現(xiàn)最多的目標(biāo)功能。

這種新技術(shù)使越來越多的科學(xué)家、工程師和各領(lǐng)域的專家，能夠更為便捷地設(shè)計(jì)算法、開發(fā)應(yīng)用、編程邏輯、建模系統(tǒng)并將系統(tǒng)部署于指定的對象。

結(jié)論

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法現(xiàn)已誕生。 圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了結(jié)合硬件平臺的軟件平臺，這能夠極大縮減開發(fā)成本和面市時(shí)間。 集成多種運(yùn)算模型的軟件平臺，最大程度地縮短了將項(xiàng)目指標(biāo)實(shí)現(xiàn)為具體設(shè)計(jì)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，通過縮減自定義硬件的設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，最大程度地縮短第一次建模的時(shí)間。 此外，通過實(shí)際I/O的建模保證了更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)——減少了目前的設(shè)計(jì)失誤。 最后，由于圖形化軟件從設(shè)計(jì)到平臺建模，到最終的目標(biāo)部署均保持一致，從而使代碼利用率達(dá)到最高，并且使得向最終部署的轉(zhuǎn)換簡單易行。 借助LabVIEW，您便能通過單一的圖形化平臺，對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和部署。