概覽
將近50%的設(shè)計延遲或是無法面市,；即便在推出之后,，也仍有將近30%的設(shè)計宣告失敗 [1],。 導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)日趨復雜 [2],。 此外,，隨著嵌入式系統(tǒng)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)計方法,。
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圖形化系統(tǒng)設(shè)計革命性地解決了設(shè)計問題,，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，幫助工程師和科學家更有效地設(shè)計,、建模,、部署嵌入式系統(tǒng)。用戶通過圖形化系統(tǒng)設(shè)計,，在設(shè)計的各個階段采用單一的環(huán)境,，從而提高生產(chǎn)效率、節(jié)省成本,。
嵌入式設(shè)計的圖形化編程
許多嵌入式系統(tǒng)可自主運行,，需要并行處理許多有特殊定時要求的任務。假設(shè)某個機器控制系統(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)；在這樣一個系統(tǒng)中，則必須以確定,、實時,、并行的方式開展多進程。 若在此類應用中采用C等傳統(tǒng)且基于文本的工具,，會令復雜性立刻提高,。
LabVIEW相反卻可借助自身功能，輕松開發(fā)復雜編程和定時模型,。 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)實現(xiàn)定時,，完美地將定時融入代碼；若想表示并行只需如圖 1所示,，拖入另一個循環(huán),。
圖 1. LabVIEW的并行定時循環(huán)直觀地顯示出并行任務
文本代碼令各領(lǐng)域的眾多專家們難以實現(xiàn)該水平的定時與并行；而圖形化表示對于科學家和工程師而言,，卻顯得更為清晰,、更易訪問。如果LabVIEW范例被擴展至包括FPGA和微處理器的芯片,，您會發(fā)現(xiàn)：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(gòu)。
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的另一項關(guān)鍵需求是：軟件平臺應當用于實時嵌入式設(shè)計常用的各類算法設(shè)計瀏覽,。Edward Lee博士身為伯克利(Berkeley)地區(qū)加利福尼亞大學(University of California)在嵌入式軟件平臺方面的研究領(lǐng)袖,，將設(shè)計瀏覽統(tǒng)統(tǒng)視作運算模型 [3]。 這些運算模型與系統(tǒng)設(shè)計師瀏覽系統(tǒng)的方式匹配,，最大程度降低了將系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)換為軟件設(shè)計的復雜性,。
在過去的幾年里，LabVIEW已經(jīng)擴展性地納入了多種運算模型,，從而更好滿足了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師及其各種技術(shù)裝置的需求,。 LabVIEW現(xiàn)已包括基于文本的數(shù)學、連續(xù)時間仿真,、狀態(tài)圖和圖形化數(shù)據(jù)流模式,，用以代表各類算法。 LabVIEW還納入交互式工具,，從而推進數(shù)字濾波器,、控制模型、數(shù)字信號處理算法的設(shè)計體驗,，令此類垂直應用的設(shè)計更為簡易?，F(xiàn)在，我們將拭目以待，見證您如何在靈活的COTS硬件平臺上實施這些算法,，并極大地降低第一次建模的時間,。
商用現(xiàn)成建模平臺
如前所述，由于許多設(shè)計延遲或是根本無法面市,，甚至更糟,；由于設(shè)計會在推出之后宣告失敗，我們必須采取行動,，確保以更短的時間獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品,。一舉兩得的途徑之一便是：通過更快地在設(shè)計中集成實際信號和實際硬件，更好地建模系統(tǒng),，從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)設(shè)計的迭代并能更早發(fā)現(xiàn)（并解決）問題,。
如 圖 2的設(shè)計過程所示，LabVIEW FPGA模塊能夠?qū)abVIEW設(shè)計下載到NI的FPGA硬件上,；LabVIEW已能夠通過該模塊,，將算法設(shè)計與邏輯設(shè)計相互結(jié)合。現(xiàn)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(shè)計過程的典型性嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計過程
目前，若您在為最終的部署創(chuàng)建自定義硬件,，則很難并行開發(fā)軟件和硬件,。因為只有進入系統(tǒng)集成階段，軟件方能在實際的硬件上接受測試,。此外,，您并不希望進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并通過實際信號測試設(shè)計,，可能造成：發(fā)現(xiàn)問題時為時已晚,，因而無法按時完成設(shè)計。
許多設(shè)計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,、運動或同步I/O的能力。此外,，設(shè)計師往往只是為證明概念,，便不得不將時間浪費在開發(fā)傳感器或特定I/O的自定義板卡上。
如 圖 3 所示,，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證和板卡設(shè)計的工作。 當今,，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)計與PC非常類似,，力爭實現(xiàn)同樣標準的建模平臺,。
Figure 3. Stream-lined development flow with Graphical System Design
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)行確定算法的實時處理器,、用于高速處理或?qū)崟r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在與各個系統(tǒng)配合使用時，無法滿足您的全部需要,，平臺也應能在需要時得到擴展并接受定制。
圖 4. 嵌入式系統(tǒng)的典型組件
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。 該控件包含一個運行實時操作系統(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,、計數(shù)器/定時器等功能的I/O模塊,，配置并提供實際接口。 每個模塊都包括：與傳感器和激勵器的直接連接,，以及內(nèi)置的信號調(diào)理與隔離,。 同時包括的模塊開發(fā)包令開發(fā)者通過平臺擴展，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 oC到70 oC，50G防振動）,、占地?。?.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,，用戶有時會因為規(guī)格或供電因素，選擇更小的自定義板卡設(shè)計,。 為滿足該需求,，設(shè)計師可通過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，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)計作為對象,。一經(jīng)集成，用戶便能實現(xiàn)100%的圖形化開發(fā),，并交互式地調(diào)試其應用,。 通過將生成的代碼與目前市場上的所有目標集成，用戶可以最為靈活地實現(xiàn)最多的目標功能,。
這種新技術(shù)使越來越多的科學家,、工程師和各領(lǐng)域的專家，能夠更為便捷地設(shè)計算法,、開發(fā)應用,、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)計的新方法現(xiàn)已誕生,。 圖形化系統(tǒng)設(shè)計帶來了結(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現(xiàn)為具體設(shè)計的時間。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)計時間和設(shè)計成本,，最大程度地縮短第一次建模的時間。此外,，通過實際I/O的建模保證了更優(yōu)質(zhì)的設(shè)計——減少了目前的設(shè)計失誤,。最后,，由于圖形化軟件從設(shè)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(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)進行設(shè)計、建模和部署,。