為什么要?jiǎng)?chuàng)建功能性原型

為什么要?jiǎng)?chuàng)建功能性原型呢？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們首先要從嵌入式應(yīng)用及其開(kāi)發(fā)方式談起。

談到嵌入式系統(tǒng)，其范疇和定義是非常廣泛的，我們首先想到的往往是日常使用的手機(jī)，mp3，數(shù)碼相機(jī)這些小型的消費(fèi)電子產(chǎn)品，但是嵌入式系統(tǒng)的范圍其實(shí)要廣泛得多，醫(yī)院里的心電監(jiān)視儀，B超設(shè)備，核磁共振儀也是嵌入式系統(tǒng)，甚至汽車引擎控制器，智能移動(dòng)機(jī)器人、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主控與監(jiān)測(cè)設(shè)備都是嵌入式系統(tǒng)。這里我們主要針對(duì)的是一些專業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、確定性、可靠性有較高要求的嵌入式應(yīng)用。根據(jù)其需求和特點(diǎn)，我們把這些應(yīng)用分為三類，分別是實(shí)時(shí)控制、比如汽車和航空控制器設(shè)計(jì)中經(jīng)常涉及的快速控制原型、硬件在環(huán)仿真，還有屬于前沿研究領(lǐng)域的移動(dòng)機(jī)器人、無(wú)人車、無(wú)人機(jī)控制等等；第二類是在線監(jiān)測(cè)，比如結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，包括建筑和橋梁、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，地震監(jiān)測(cè)，或者用于設(shè)備和機(jī)器維護(hù)的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)等等；此外集成的測(cè)試與控制也是非常廣泛的一類應(yīng)用，比如一些風(fēng)洞測(cè)試，盡管主要是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，但也要做快速計(jì)算出是否接近共振條件，從而控制風(fēng)速以免損壞設(shè)備

我們剛才列舉了專業(yè)領(lǐng)域的一些典型實(shí)時(shí)與嵌入式應(yīng)用，這些應(yīng)用的開(kāi)發(fā)從比較概括的說(shuō)可以分為兩個(gè)階段，階段一通常由領(lǐng)域?qū)＜?，比如生物醫(yī)學(xué)、無(wú)線通信或汽車工程方面的研發(fā)人員，使用文本數(shù)學(xué)工具進(jìn)行算法設(shè)計(jì)、建模、仿真。這一階段的成果是特定的、達(dá)到一定目的的浮點(diǎn)算法。通常這部分的工作以軟件平臺(tái)為主。階段二的主要任務(wù)將算法移植到實(shí)時(shí)嵌入式硬件平臺(tái)之中加以實(shí)現(xiàn)，這部分任務(wù)通常由具有電子工程背景的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員加以完成，硬件平臺(tái)常會(huì)采用微處理器，微控制器或FPGA，就會(huì)牽涉到相關(guān)的開(kāi)發(fā)環(huán)境比如C或VHDL，甚至匯編。

因此，在這兩個(gè)階段之間存在著一個(gè)銜接的問(wèn)題。一方面，從文本數(shù)學(xué)平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的浮點(diǎn)算法需要移植為能夠在嵌入式系統(tǒng)下運(yùn)行的代碼，比如C代碼甚至定點(diǎn)算法，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的銜接，如果嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員對(duì)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)缺乏一定深度的了解和掌握，往往會(huì)產(chǎn)生算法移植的偏差，甚至導(dǎo)致返工。另一方面，這樣的銜接和移植并不是一次性就能完成的，而且需要多次的循環(huán)往復(fù)，在階段二發(fā)現(xiàn)算法存在的問(wèn)題后，需要領(lǐng)域?qū)＜倚薷恼{(diào)整算法，然后再進(jìn)行重新的移植和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其工作量可能相當(dāng)?shù)拇蟆?/p>

在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的問(wèn)題主要包括兩方面。對(duì)于設(shè)計(jì)階段，我們需要在早期階段就能引入實(shí)際數(shù)據(jù)并在其基礎(chǔ)上調(diào)整模型，以減少算法移植后的改動(dòng)，從而減少兩個(gè)階段之間的循環(huán)往復(fù)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)階段，由于需要用實(shí)時(shí)系統(tǒng)的編程語(yǔ)言，且確定性執(zhí)行的編程、調(diào)試和驗(yàn)證很困難，而且實(shí)際系統(tǒng)往往需要連接到多種傳感器和接口，因此從離線仿真到實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間存在的很大的距離，而且前端設(shè)計(jì)的變化經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致后期的大量返工，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期的延遲。據(jù)《嵌入式軟件發(fā)展：?jiǎn)栴}與挑戰(zhàn)》（Embedded Software Development： Issues and Challenges， 2003年7月）統(tǒng)計(jì)，將近50%的設(shè)計(jì)投放市場(chǎng)的時(shí)間都太晚甚至沒(méi)有投放市場(chǎng)，而30%的設(shè)計(jì)在正式發(fā)布后都是不成功的。顯然，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中總會(huì)充滿著沒(méi)有預(yù)料到的困難。

因此，一種更好的開(kāi)發(fā)方法是在開(kāi)發(fā)流程中引入原型階段，也就是在開(kāi)發(fā)的早期階段創(chuàng)建實(shí)速運(yùn)行在系統(tǒng)環(huán)境中的設(shè)計(jì)原型，從而進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)快速、高效、可靠的驗(yàn)證。比如說(shuō)，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)引擎控制器的時(shí)候，在進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì)完成最終系統(tǒng)之前，先將控制算法下載到一定的硬件平臺(tái)，并連接到真實(shí)的受控對(duì)象和各種傳感器，在接近實(shí)際運(yùn)行條件的情況下，對(duì)算法進(jìn)行早期、硬件級(jí)的評(píng)估和驗(yàn)證。

通過(guò)引入原型階段，我們可以在開(kāi)發(fā)早期進(jìn)行覆蓋面更廣的測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少后期風(fēng)險(xiǎn)，從而可以從總體上縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，并提高產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量。

一種更為釜底抽薪的解決方案是將設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)階段的工作移植到統(tǒng)一開(kāi)發(fā)平臺(tái)之中，即在一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)下集成算法和硬件：一方面，在算法設(shè)計(jì)階段引入硬件I/O進(jìn)行前期的驗(yàn)證，可以在更早階段發(fā)現(xiàn)并修正潛在的錯(cuò)誤；另一方面，由于使用同樣的開(kāi)發(fā)環(huán)境，算法設(shè)計(jì)的代碼可以在原型驗(yàn)證的過(guò)程中被重用，從而簡(jiǎn)化編程的復(fù)雜性，降低了對(duì)算法設(shè)計(jì)人員和嵌入式開(kāi)發(fā)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中各個(gè)步驟的要求。從根本上加快循環(huán)遞進(jìn)的過(guò)程，從而縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

NI的嵌入式硬件平臺(tái)CompactRIO非常適合進(jìn)行快速原型，它上面集成了實(shí)時(shí)的嵌入式處理器和FPGA，可以執(zhí)行各種算法，同時(shí)可以通過(guò)自定義選擇不同的I/O模塊快速為算法添加硬件I/O，從而完成實(shí)體原型的建立和測(cè)試。除了適合進(jìn)行原型階段的開(kāi)發(fā)，NI的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念可以貫穿設(shè)計(jì)、原型、發(fā)布這個(gè)過(guò)程的始終。借由圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件LabVIEW，我們可以設(shè)計(jì)并仿真算法和模型（這是純軟件工作），再在CompactRIO上為算法添加I/O完成原型驗(yàn)證，之后同樣的算法不需要進(jìn)行任何修改就可以通過(guò)低成本的Single-Board RIO單板嵌入式平臺(tái)完成大量發(fā)布。

今日，許多世界著名的廠商都把原型設(shè)計(jì)階段提升到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的位置。事實(shí)上，除了降低風(fēng)險(xiǎn)和成本、縮短上市周期等優(yōu)勢(shì)之外，快速原型也是一個(gè)搶的商業(yè)先機(jī)的手段。通過(guò)快速原型，你可以很快地將你的想法在硬件上實(shí)現(xiàn)出來(lái)，向客戶展示并說(shuō)明最終的功能，這樣可以博得客戶的信任，有時(shí)還能幫助贏得投資。