劉淵，黃若，張?zhí)旌?，田彥?/p>

（南京航空航天大學(xué) 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

引 言

近年來(lái)，圖形化的編程方式已成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。圖形化編程平臺(tái)對(duì)底層語(yǔ)言進(jìn)行了高度集成，大大降低了嵌入式編程的復(fù)雜度，使軟件開(kāi)發(fā)更為簡(jiǎn)單高效[1]。但是，一些圖形化嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境（如SCADE、Ardublock等），存在軟件授權(quán)使用費(fèi)用過(guò)高或開(kāi)發(fā)對(duì)象單一等問(wèn)題，不能滿足普遍的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)需求。

Lab VIEW是美國(guó)NI（National Instruments）公司開(kāi)發(fā)的一種軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，圖形化的軟件開(kāi)發(fā)方式是其最大特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，NI公司與ARM公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)ARM微控制器的圖形化嵌入式開(kāi)發(fā)組件[2]，其在Lab VIEW的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境與ARM微處理器之間搭建了一座橋梁，通過(guò)它來(lái)對(duì)ARM對(duì)象進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高編程效率。但是該組件同樣存在開(kāi)發(fā)對(duì)象較為單一的問(wèn)題，目前其僅支持ARM Cortex-M3 的 LM3S8962[3]、ARM7 的 MCB2300 以 及ARM9的MCB2400三款芯片，硬件平臺(tái)選擇有限，而國(guó)內(nèi)外鮮有針對(duì)此問(wèn)題的研究報(bào)道。

本文基于Lab VIEW的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，研究其開(kāi)發(fā)機(jī)理與流程，探究代碼復(fù)用技術(shù)，并針對(duì)Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器對(duì)Lab VIEW嵌入式組件進(jìn)行拓展，解決了Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)模塊在開(kāi)發(fā)對(duì)象上的限制問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，利用Lab VIEW開(kāi)發(fā)基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123芯片的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于LabVIEW的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)機(jī)理分析

Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的本質(zhì)是代碼復(fù)用，而在Lab VIEW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)ARM的嵌入式開(kāi)發(fā)，主要依托于Keil MDK工具鏈。Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)機(jī)理如圖1所示，基于Lab VIEW編寫(xiě)的圖形化嵌入式軟件程序通過(guò)Lab VIEW C Generator生成對(duì)應(yīng)的C代碼，并按照一定規(guī)則添加到RTX操作系統(tǒng)的框架中，此時(shí)Lab VIEW通過(guò)調(diào)用Keil MDK的RVCT編譯工具將程序代碼編譯并下載到ARM芯片中。當(dāng)這一流程完成之后，便可在Lab VIEW環(huán)境中對(duì)ARM芯片中的程序進(jìn)行調(diào)試。

圖1 LabVIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)機(jī)理圖

Lab VIEW代碼自動(dòng)生成流程圖如圖2所示。首先通過(guò)Lab VIEW編寫(xiě)嵌入式程序，程序中主要包含兩個(gè)部分：一個(gè)是外設(shè)驅(qū)動(dòng)部分；另一個(gè)是常規(guī)的Lab VIEW程序部分，一般用于完成算法、參數(shù)配置等功能。這兩部分組成的嵌入式程序通過(guò)C Generator模塊，按照一定的規(guī)則，生成對(duì)應(yīng)的C代碼，與嵌入式程序中的模塊對(duì)應(yīng)。所生成的C代碼會(huì)被載入到已經(jīng)準(zhǔn)備好的RTX嵌入式操作系統(tǒng)的模板中，形成RTX操作系統(tǒng)工程，其中工程項(xiàng)目的設(shè)置環(huán)境在操作系統(tǒng)移植時(shí)確定。完成上述工作后，獲得可使用的目標(biāo)嵌入式程序工程。

圖2 LabVIEW代碼自動(dòng)生成流程圖

2 LabVIEW環(huán)境下的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)建立

本文針對(duì)Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123芯片，建立基于Lab VIEW的圖形化嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。為了圖形化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建，結(jié)合Lab VIEW嵌入式開(kāi)發(fā)機(jī)理的研究，從開(kāi)發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、復(fù)用模版以及驅(qū)動(dòng)代碼這幾個(gè)方面搭建Lab VIEW環(huán)境下的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2.1 整合開(kāi)發(fā)工具鏈

Lab VIEW的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)模塊采用ARM公司的Keil MDK嵌入式軟件工具鏈。要實(shí)現(xiàn)Lab VIEW的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，首先需要解決的就是開(kāi)發(fā)工具鏈問(wèn)題。由于現(xiàn)有的Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)模塊只能調(diào)用舊版本Keil MDK（V4.01），不具備開(kāi)發(fā)Cortex-M4的能力，需要對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行整合。首先需要將新版本Keil MDK中針對(duì)Cortex-M4的DLL文件進(jìn)行整合，其中包括lmidkagdi.dll、SARMCM3.dll、DCM.dll 等，然 后 添 加TM4C123芯片對(duì)應(yīng)的芯片信息與相關(guān)文件。整合后的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以被Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)模塊正確調(diào)用，用于TM4C123芯片的相關(guān)開(kāi)發(fā)。

2.2 移植操作系統(tǒng)

Lab VIEW是利用RTX操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的。由于舊版本的Keil MDK中的RTX并不支持ARM Cortex-M4系列處理器，需要將新版本中的RTX操作系統(tǒng)相關(guān)文件整合到舊版本中。完成相關(guān)移植工作后，針對(duì)TM4C123的Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)可以在此RTX操作系統(tǒng)上展開(kāi)。

2.3 創(chuàng)建復(fù)用模板

Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)復(fù)用模板是Lab VIEW嵌入式開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，它給嵌入式程序提供了框架，所有的程序代碼都會(huì)根據(jù)一定的規(guī)范嵌套于模板中。在創(chuàng)建復(fù)用模板時(shí)，需要完成兩部分內(nèi)容：首先要?jiǎng)?chuàng)建模板的原型，其中包括RTX操作系統(tǒng)文件和Lab VIEW生成代碼所涉及的相關(guān)文件，其次需要對(duì)模板進(jìn)行適用TM4C123的相關(guān)修改。針對(duì)實(shí)際情況，可以以Lab VIEW自帶的LM3S8962芯片代碼復(fù)用模板為基礎(chǔ)，對(duì)TargetConfig.ini等文件進(jìn)行相應(yīng)的修改，以創(chuàng)建適用于TM4C123的代碼復(fù)用模板。

2.4 編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)代碼

代碼復(fù)用模板創(chuàng)建完畢之后，還需要對(duì)芯片各個(gè)接口的驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行編寫(xiě)。驅(qū)動(dòng)代碼可以通過(guò)Lab VIEW自帶的Elemental I/O Device Wizard進(jìn)行編寫(xiě)，這種方式在實(shí)際編程中，接口資源調(diào)用較為方便，但是存在很多弊端，如所能編寫(xiě)的接口種類(lèi)較少、編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜。本文提出一種腳本式的驅(qū)動(dòng)代碼編寫(xiě)辦法，以嵌入式C腳本為核心，免去了Lab VIEW中繁瑣的設(shè)置過(guò)程，并且可以實(shí)現(xiàn)各種接口驅(qū)動(dòng)代碼需求。以PWM驅(qū)動(dòng)為例，驅(qū)動(dòng)程序示意圖略——編者注。在嵌入式C腳本中主要為PWM驅(qū)動(dòng)代碼，其中 GPIO＿PIN、PWM＿OUT＿BIT、PWM＿GEN、GPIO＿PWM、PWM＿OUT與PWM＿BASE作為輸入變量，供外部的條件循環(huán)根據(jù)端口進(jìn)行不同的賦值。通過(guò)這樣函數(shù)接口設(shè)置，驅(qū)動(dòng)程序中的參數(shù)可以根據(jù)所選的端口自行配置，不需要每次都進(jìn)行修改，顯著提高了開(kāi)發(fā)效率。

3 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器軟件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 電子控制器軟件設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述平臺(tái)的可行性，利用Lab VIEW開(kāi)發(fā)了基于TM4C123芯片的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制器軟件，其功能需求主要包括信號(hào)采集、串口通信、轉(zhuǎn)速控制等[3]。

以電子控制器信號(hào)采集與輸出程序?yàn)槔f(shuō)明程序的開(kāi)發(fā)方法。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)采集與輸出程序的Lab-VIEW程序框圖如圖3所示。程序主要功能：將實(shí)際溫度、油門(mén)桿位置等參數(shù)通過(guò)串口發(fā)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，采集當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并根據(jù)控制需求改變輸出PWM的占空比來(lái)控制氣閥、油閥、油泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中串口驅(qū)動(dòng)、ECAP驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)功能均基于腳本式驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)方法，在封裝后可以在程序中直接進(jìn)行調(diào)用。

圖3 信號(hào)采集與輸出程序框圖

控制器軟件編寫(xiě)完畢后，點(diǎn)擊LabVIEW中的運(yùn)行按鈕，LabVIEW將自動(dòng)生成相關(guān)程序代碼并編譯，最后將目標(biāo)代碼下載到嵌入式芯片中。LabVIEW為嵌入式調(diào)試提供了一個(gè)交互性極強(qiáng)的人機(jī)界面，可以將想要調(diào)試的功能設(shè)置成相應(yīng)的輸入控件，在設(shè)計(jì)初期，即使沒(méi)有上位機(jī)程序，也可以通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器軟件設(shè)計(jì)完成后，需通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證。本文通過(guò)臺(tái)架試車(chē)試驗(yàn)檢驗(yàn)所開(kāi)發(fā)的電子控制器的實(shí)際控制效果。臺(tái)架試驗(yàn)中，主要進(jìn)行了開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制過(guò)程曲線圖如圖4所示，轉(zhuǎn)速及溫度值響應(yīng)正常。

圖4 臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制過(guò)程曲線圖

圖5為臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制曲線圖，可以看到，實(shí)際轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，并且沒(méi)有明顯超調(diào)，達(dá)到了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制要求。臺(tái)架試車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)Lab-VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的電子控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速和閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制功能，有效性得到了實(shí)際工程驗(yàn)證。

圖5 臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制曲線圖

結(jié) 語(yǔ)

本文以搭建基于Lab VIEW的ARM Cortex-M4嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為目標(biāo)，對(duì)Lab VIEW圖形化嵌入式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)展開(kāi)研究。首先對(duì)Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)機(jī)理進(jìn)行了研究，并分別從開(kāi)發(fā)工具鏈、操作系統(tǒng)、復(fù)用模板以及驅(qū)動(dòng)代碼幾個(gè)方面簡(jiǎn)要闡述了相關(guān)移植工作，然后在此基礎(chǔ)上為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了以TM4C123為目標(biāo)處理器的控制器軟硬件，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其代碼的有效性。綜上所述，在Lab VIEW嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)代碼開(kāi)發(fā)方式的功能，而且縮短了開(kāi)發(fā)周期，提供了直觀便利的人機(jī)交互平臺(tái)，從而顯著提高嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)效率，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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