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嵌入式设计的图形化编程基础知识总结

时间:2018-09-05 04:44:30来源:本站 作者: 点击:
  将近50%的设计延迟或是无法面市;即便在推出之后,也仍有将近30%的设计宣告失败

  将近50%的设计延迟或是无法面市;即便在推出之后,也仍有将近30%的设计宣告失败 。 导致类似许多问题的直接原因是:随着平均代码长度在过去5年增长了近10倍,嵌入式系统日趋复杂 此外,随着嵌入式系统日益普及,机器制造商、测试工程师、控制工程师等许多领域的专家都需要嵌入式技术来开发系统,而他们目前又都不具备开发嵌入式系统的技能。 随着系统日趋复杂,随着需要该技术的非嵌入式专家日益增多,人们迫切需要一种新的嵌入式设计方法。 图形化系统设计革命性地解决了设计问题,它将直观的图形化编程和灵活的商用现成(COTS)硬件融为一体,帮助工程师和科学家更有效地设计、建模、部署嵌入式系统。 您能通过图形化系统设计,在设计的各个阶段采用单一的环境,从而提高生产效率、节省成本,并向各领域的专家提供嵌入式技术。

  许多嵌入式系统可自主运行,需要并行处理许多有特殊定时要求的任务。 假设某个机器控制系统用以控制直线台、旋转多轴、控制照明并读取视频数据;在这样一个系统中,则必须以确定、实时、并行的方式开展多进程。 若在此类应用中采用C等传统且基于文本的工具,会令复杂性立刻提高。

  LabVIEW相反却可借助自身功能,轻松开发复杂编程和定时模型。 早在20多年之前,NI便创造出具有LabVIEW图形化开发环境形式的组件和技术。 LabVIEW通过编码结构实现定时,完美地将定时融入代码;若想表示并行只需如图 1所示,拖入另一个循环。

  文本代码令各领域的众多专家们难以实现该水平的定时与并行;而图形化表示对于科学家和工程师而言,却显得更为清晰、更易访问。 如果LabVIEW范例被扩展至包括FPGA和微处理器的芯片,您会发现:LabVIEW还能以同样的一致性和可升级性,轻松管理硅芯片的并行架构。

  嵌入式系统设计的另一项关键需求是:软件平台应当用于实时嵌入式设计常用的各类算法设计浏览。Edward Lee博士身为伯克利(Berkeley)地区加利福尼亚大学(University of California)在嵌入式软件平台方面的研究领袖,将设计浏览统统视作运算模型 。 这些运算模型与系统设计师浏览系统的方式匹配,最大程度降低了将系统要求转换为软件设计的复杂性。

  在过去的几年里,LabVIEW已经扩展性地纳入了多种运算模型,从而更好满足了嵌入式系统设计师及其各种技术装置的需求。 LabVIEW现已包括基于文本的数学、连续时间仿真、状态图和图形化数据流模式,用以代表各类算法。 LabVIEW还纳入交互式工具,从而推进数字滤波器、控制模型、数字信号处理算法的设计体验,令此类垂直应用的设计更为简易。 现在,我们将拭目以待,见证您如何在灵活的COTS硬件平台上实施这些算法,并极大地降低第一次建模的时间。

  如前所述,由于许多设计延迟或是根本无法面市,甚至更糟;由于设计会在推出之后宣告失败,我们必须采取行动,确保以更短的时间获得更优质的产品。 一举两得的途径之一便是:通过更快地在设计中集成实际信号和实际硬件,更好地建模系统,从而实现优质设计的迭代并能更早发现(并解决)问题。

  如图 2的设计过程所示,LabVIEW FPGA模块能够将LabVIEW设计下载到NI的FPGA硬件上;LabVIEW已能够通过该模块,将算法设计与逻辑设计相互结合。 现在我们可以集中精力,探寻缩短硬件路径的效率与手段。

  目前,若您在为最终的部署创建自定义硬件,则很难并行开发软件和硬件。因为只有进入系统集成阶段,软件方能在实际的硬件上接受测试。 此外,您并不希望进行纯理论型的软件开发;在系统集成测试阶段纳入I/O并通过实际信号测试设计,可能造成:发现问题时为时已晚,因而无法按时完成设计。

  许多设计者目前采用测试板卡一类的方式,建模系统。 然而,此类板卡往往只包括少数的模拟和数字I/O通道,很少包括视觉、运动或同步I/O的能力。此外,设计师往往只是为证明概念,便不得不将时间浪费在开发传感器或特定I/O的自定义板卡上。

  如图 3 所示,通过灵活的COTS建模平台,您却能真正简化该过程,并省去许多配合硬件验证和板卡设计的工作。 当今,任何人都能步入电子商店,插接内存、主板、外设等组件,创建PC;图形化系统设计与PC非常类似,力争实现同样标准的建模平台。

  对于许多系统而言,建模平台必须纳入与最终发布完毕的系统相同的组件。 这些组件通常是:用于执行确定算法的实时处理器、用于高速处理或将实时处理器连至其他组件的可编程数字逻辑,以及各类I/O与外设 [图 4]。最后,若畅销I/O在与各个系统配合使用时,无法满足您的全部需要,平台也应能在需要时得到扩展并接受定制。

  National Instruments公司提供了数种类型的建模平台,其中包括NI CompactRIO。该平台含有嵌入式系统的所有基本模块。 该控件包含一个运行实时操作系统的32位处理器。 CompactRIO背板包含的FPGA可执行高速处理,且为包含模拟输入与输出、数字输入与输出、计数器/定时器等功能的I/O模块,配置并提供实际接口。 每个模块都包括:与传感器和激励器的直接连接,以及内置的信号调理与隔离。 同时包括的模块开发包令开发者通过平台扩展,纳入自定义模块全部插入该COTS架构。

  此外,CompactRIO采用工业化封装(-40 C到70 C,50G防振动)、占地小(3.5英寸 x 3.5英寸 x 7.1英寸)、供电要求低(典型的7W到10W),这使它不仅非常适于建模,而且非常适于车载、机器控制和板载预测性维护应用的部署。

  如前所述,由于包装、耐用性和成本方面的优势,CompactRIO常用作建模和部署。 然而,用户有时会因为规格或供电因素,选择更小的自定义板卡设计。 为满足该需求,设计师可通过LabVIEW嵌入式开发模块,将代码部署于任一32位处理器,从而节省软件购买成本。

  LabVIEW嵌入式开发模块结合了图形化开发的上述所有优点,以及现成的分析函数、集成式I/O和交互式图形化调试。 该模块能够将任一32位微处理器作为对象;由它提供的框架能够开放地集成各类目前以C为基础的第三方工具链(tool chain)和操作系统,从而将自定义板卡设计作为对象。 一经集成,用户便能实现100%的图形化开发,并交互式地调试其应用。 通过将生成的代码与目前市场上的所有目标集成,用户可以最为灵活地实现最多的目标功能。

  这种新技术使越来越多的科学家、工程师和各领域的专家,能够更为便捷地设计算法、开发应用、编程逻辑、建模系统并将系统部署于指定的对象。

  电子系统设计的新方法现已诞生。 图形化系统设计带来了结合硬件平台的软件平台,这能够极大缩减开发成本和面市时间。 集成多种运算模型的软件平台,最大程度地缩短了将项目指标实现为具体设计的时间。 灵活的COTS硬件建模平台可支持软件平台并提供自定义组件,通过缩减自定义硬件的设计时间和设计成本,最大程度地缩短第一次建模的时间。 此外,通过实际I/O的建模保证了更优质的设计减少了目前的设计失误。 最后,由于图形化软件从设计到平台建模,到最终的目标部署均保持一致,从而使代码利用率达到最高,并且使得向最终部署的转换简单易行。 借助LabVIEW,您便能通过单一的图形化平台,对嵌入式系统进行设计、建模和部署。

  基于水下无人机,Intel Braswell芯片组的3.5寸嵌入式工业主板

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