基于LabVIEW下嵌入式系统实验平台的设计与实现分析

梁栋权+魏红+韦必忠

摘要：嵌入式技术的发展不但开阔了嵌入式系统的应用平台，更推动了现代社会、智能社会的进步。随着当下许多高校将嵌入式系统应用于教学中，传统的实验方法已满足不了教学要求，顺应时代科技潮流的发展，将嵌入式系统实验平台与作为编程语言的LabVIEW结合起来，开拓实验领域的宽度和深度，降低教学的难度系数。论文简单介绍嵌入式系统和软件开发系统LabVIEW的特点，详细地分析了在LabVIEW的基础上嵌入式实验平台的设开发机理，简要地阐述了整合工具链、操作系统的移植、复用样板的创建及驱动代码的编写等方面。

关键词：嵌入式系统；LabVIEW；开发；实验平台

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0253-02

1概述

互联网的迅猛发展，计算机信息技术的不断进步，不仅给人们的日常学习生活提供了方便，也对社会生产和科学技术的发展带来了深远的影响。由于国内外在科技上的竞争随着时代的进步也变得激烈起来，加上我国在教育上教师资源、实验设备等资源的匮乏，导致我国的科技教育事业得不到飞快的发展。发展科技教育，就应该将计算机信息技术和虚拟仪器技术有效地结合并应用于实验教学中，嵌入式系统实验平台能够有效地解决教学实验设备落后、实验场地不足等问题，也避免了实验仪器的投入资金的浪费，教师和学生能够随时随地不受任何外在因素的限制开展实验，从而增强了实验教学的灵活性和适应性。

2嵌入式系统与LabVIEW的有关介绍

2.1嵌入式系统

一般而言，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统具有体积小、运行速度快、耗能低等特点，系统所涉及的学科范围比较广泛，包含深厚的理论知识，集中了当前时代先进的技术。系统由硬件和软件这两个部分组成，嵌入式系统的硬件包含了最主要的嵌入式处理器与由存储器、接口及人机交互构成的外围设备，系统的软件包含嵌入式操作系统与应用程序。无论是硬件，抑或是软件，两者都是根据特定情况下的应用系统来设计的，在产品生产与产品性能等方面都具备非常强的竞争能力。

2.2 LabVIEW的概念

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，也是一种图形化编程语言的开发环境，它被广泛地应用于研究学术界、科学实验室和工业界中，它被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅具有满足GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了方便运用软件标准的库函数。它不仅具有强大的功能和灵活性高的特点，还可以建立自身的虚拟仪器和创建图形化界面，为编程和使用的过程增添了乐趣。

2.3 系统开发环境

如图1所示，LabVIEW 的编程环境由三个主要部分——前面板、程序框图和图标连线板组成。前面板是VI的用户界面，用于建立前面板的输入控件是VI的交互式输入，同样用于创建前面板的显示控件是VI的输出接线端。程序框图是图形化源代码。前面板对象在程序框图中表现为接线端。每个VI的前面板窗口和程序框图窗口的右上角都会显示一个图标。图标连线板是一组与VI中的输入控件和显示控件相对应的接线端，它与文本编程语言中的函数调用参数列表相类似。

2.4 LabVIEW在嵌入式系统中的优点

第一，具有直观性较强、亲和力较高的用户界面。在由美国国家仪器公司提出的虚拟仪器设计的基础上，LabVIEW编程软件在考虑前面板的用户界面设计时，使用的控件外观设计都偏向于实际中的仪器设备，使界面形象变得非常直观，用户在使用起来也有了亲切感。第二，程序设计具有较强的灵活性和较高的效率。与工业的组态软件相比，LabVIEW能够彻底进入源程序对代码进行改写，灵活地设计系统的功能特点，同时，由于LabVIEW的编程模式图形化，使得编写效率得到提高。第三，硬件平台在各个领域具有一定的广度和深度。美国国家仪器公司推出了设计各个领域的硬件平台，这些硬件平台在任何程度上都能与LabVIEW有共同的连结点，能够在各个领域满足不同的设计需求。

3分析基于LabVIEW下嵌入式系统的开发机理

本质上，嵌入式系统软件开发在LabVIEW的基础上就是代码复用，使用接口和同类型的组件通讯，即对于所有完成相同功能的组件，应该抽象出一个接口，它们都实现该接口。在LabVIEW开发环境下，ARM的嵌入式开发主要依靠Keil MDK工具链。如图2所示，基于LabVIEW下嵌入式系统软件的开发机理是在LabVIEW环境下，图形化的嵌入式系统软件程序利用LabVIEW C Generator生成相应的C代码，并遵循一定的编写程序代码规则加到RTX的整体框架中，与此同时，LabVIEW利用Keil MDK的RVCT编译工具来编译程序代码，同时把编译好的代码下载到芯片中。当这一过程结束后，就开始在LabVIEW环境中调试芯片中的程序。

如图3所示，在自动生成LabVIEW代码的过程中，利用LabVIEW编写嵌入式软件程序，程序主要由一般用于算法的完成、参数的配置等功能的外设驱动和常规LabVIEW程序这两个部分组成，由这两部分组成的嵌入式程序利用LabVIEW C Generator模块，通过一定的程序规则生成相应的C代码，对应嵌入式程序中的模块。把所生成的C代码载入到早已准备充分的RTX操作系统的模板中，形成RTX操作系统工程，其中在移动操作系统时就要确定项目的设置环境。这个过程结束后，便可得到可使用的目标嵌入式程序。

4创建LabVIEW 环境下的嵌入式系统实验平台

4.1对开发工具链进行整合

基于LabVIEW下的嵌入式程序开发部分采用的是ARM公司的Keil MDK嵌入式程序工具链。要完成LabVIEW嵌入式程序开发的首要是解决开发工具链的问题。由于现有的条件不足，LabVIEW 的嵌入式程序开发部分只能使用版本过于陈旧的Keil MDK嵌入式程序工具链，而且也没有开发ARM Cortex-M4的能力，因此这就需要整合开发环境。第一，把新版本的首先需要将新版本Keil MDK中对应的Cortex-M4的DLL文件整理集合起来，其次载入与TM4C123芯片相对应的芯片信息和有关文件。LabVIEW环境下的嵌入式程序开发部分可以在整合后的开发环境中被准确地调用，用于芯片有关的开发应用上。

4.2操作系统的移植

LabVIEW是通过RTX操作系统来完成嵌入式程序开发的。Keil MDK中的RTX由于版本过旧不能够支持ARM Cortex-M4系列处理器，这就要求将新版本中的RTX操作系统的有关文件整理集合起来载入到旧的版本中。在这一相关的移植过程结束后，在这移植后的RTX操作系统可以开展LabVIEW嵌入式程序的开发。

4.3复用样板的创建

作为LabVIEW嵌入式开发的基础——LabVIEW嵌入式程序开发复用样板，它给嵌入式程序拟定了一个整体框架，全部的程序代码都会遵循一定的编写规范套入样板中。为了实现复用样板的创建，第一需要建立样板的原型，里面包括了LabVIEW生成程序代码所包含的有关文件和RTX操作系统文件；第二，要对样板进行相应的修改，使其能够适用于TM4C123。根据实际情况来考虑，可以将LabVIEW自身带有的芯片代码作为复用样板，并在此基础上，对相关的文件进行修改，从而创建出适用于TM4C123的复用样板。

4.4驱动代码的编写

在创建代码复用模板这一过程结束后，接下来还需要编写芯的片各个接口的驱动代码。利用LabVIEW自身带有的Elemental I/O Device Wizard编写接口的驱动代码，在实际操作中，这种编程方式在调用接口资源的时候是挺方便的，但同时也有许多不足之处，例如编写驱动代码的过程比较复杂，存在一定的困难，而且所能编写的接口代码种类比较少。论文针对这一问题，提出批处理式的驱动代码的编写方法，将嵌入式C脚本作为编写轴心，避免在LabVIEW中设置过程的繁琐，并能满足各个种类的接口驱动代码的需求。

5结束语

近年来，图形化的编程语言逐渐引起嵌入式系统开发有关领域的关注。由于图形化的系统实验平台对编程语言进行了极大的整合，降低了嵌入式编程的难度，使得软件开发具备较高的灵活性和效率。在LabVIEW基础上创建嵌入式系统实验平台，开发嵌入式软件，不但可以解决传统代码在开发时存在的问题，还能大大缩减了开发所需要的时间，给人机交互平台提供给了便利，大大增强了嵌入式软件的开发能力，具有较为深远的工程意义。

参考文献：

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[2] 杨发田，葛红宇，张建华，熊超.基于STM32 处理器的嵌入式实验系统设计与实现[J].机械设计与制造工程，2013，3：10-13.

[3] 赵洁，张璐，李桃.论虚拟仪器LabVIEW的发展及应用[J].山西电子技术，2011（4）：87-89.