為什么要創(chuàng)建功能性原型

為什么要創(chuàng)建功能性原型呢？對于這個問題，我們首先要從嵌入式應用及其開發(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，mp3，數(shù)碼相機這些小型的消費電子產(chǎn)品，但是嵌入式系統(tǒng)的范圍其實要廣泛得多，醫(yī)院里的心電監(jiān)視儀，B超設備，核磁共振儀也是嵌入式系統(tǒng)，甚至汽車引擎控制器，智能移動機器人、風力發(fā)電機的主控與監(jiān)測設備都是嵌入式系統(tǒng)。這里我們主要針對的是一些專業(yè)領域中，對系統(tǒng)的實時性、確定性、可靠性有較高要求的嵌入式應用。根據(jù)其需求和特點，我們把這些應用分為三類，分別是實時控制、比如汽車和航空控制器設計中經(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域的移動機器人、無人車、無人機控制等等；第二類是在線監(jiān)測，比如結構監(jiān)測，包括建筑和橋梁、公路等基礎設施的結構健康監(jiān)測，地震監(jiān)測，或者用于設備和機器維護的機器狀態(tài)監(jiān)測等等；此外集成的測試與控制也是非常廣泛的一類應用，比如一些風洞測試，盡管主要是實時數(shù)據(jù)采集，但也要做快速計算出是否接近共振條件，從而控制風速以免損壞設備

我們剛才列舉了專業(yè)領域的一些典型實時與嵌入式應用，這些應用的開發(fā)從比較概括的說可以分為兩個階段，階段一通常由領域專家，比如生物醫(yī)學、無線通信或汽車工程方面的研發(fā)人員，使用文本數(shù)學工具進行算法設計、建模、仿真。這一階段的成果是特定的、達到一定目的的浮點算法。通常這部分的工作以軟件平臺為主。階段二的主要任務將算法移植到實時嵌入式硬件平臺之中加以實現(xiàn)，這部分任務通常由具有電子工程背景的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員加以完成，硬件平臺常會采用微處理器，微控制器或FPGA，就會牽涉到相關的開發(fā)環(huán)境比如C或VHDL，甚至匯編。

因此，在這兩個階段之間存在著一個銜接的問題。一方面，從文本數(shù)學平臺下開發(fā)的浮點算法需要移植為能夠在嵌入式系統(tǒng)下運行的代碼，比如C代碼甚至定點算法，這個轉換過程的銜接，如果嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員對專業(yè)領域知識缺乏一定深度的了解和掌握，往往會產(chǎn)生算法移植的偏差，甚至導致返工。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，在階段二發(fā)現(xiàn)算法存在的問題后，需要領域專家修改調整算法，然后再進行重新的移植和系統(tǒng)實現(xiàn)，其工作量可能相當?shù)拇蟆?/p>

在這個過程中，系統(tǒng)開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)和需要解決的問題主要包括兩方面。對于設計階段，我們需要在早期階段就能引入實際數(shù)據(jù)并在其基礎上調整模型，以減少算法移植后的改動，從而減少兩個階段之間的循環(huán)往復。對于實現(xiàn)階段，由于需要用實時系統(tǒng)的編程語言，且確定性執(zhí)行的編程、調試和驗證很困難，而且實際系統(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際系統(tǒng)實現(xiàn)之間存在的很大的距離，而且前端設計的變化經(jīng)常會導致后期的大量返工，導致開發(fā)周期的延遲。據(jù)《嵌入式軟件發(fā)展：問題與挑戰(zhàn)》（Embedded Software Development： Issues and Challenges， 2003年7月）統(tǒng)計，將近50%的設計投放市場的時間都太晚甚至沒有投放市場，而30%的設計在正式發(fā)布后都是不成功的。顯然，產(chǎn)品設計過程中總會充滿著沒有預料到的困難。

因此，一種更好的開發(fā)方法是在開發(fā)流程中引入原型階段，也就是在開發(fā)的早期階段創(chuàng)建實速運行在系統(tǒng)環(huán)境中的設計原型，從而進行系統(tǒng)級快速、高效、可靠的驗證。比如說，我們在開發(fā)引擎控制器的時候，在進行板級設計完成最終系統(tǒng)之前，先將控制算法下載到一定的硬件平臺，并連接到真實的受控對象和各種傳感器，在接近實際運行條件的情況下，對算法進行早期、硬件級的評估和驗證。

通過引入原型階段，我們可以在開發(fā)早期進行覆蓋面更廣的測試，及時發(fā)現(xiàn)問題，減少后期風險，從而可以從總體上縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，并提高產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性和質量。

一種更為釜底抽薪的解決方案是將設計和實現(xiàn)這兩個階段的工作移植到統(tǒng)一開發(fā)平臺之中，即在一個開發(fā)平臺下集成算法和硬件：一方面，在算法設計階段引入硬件I/O進行前期的驗證，可以在更早階段發(fā)現(xiàn)并修正潛在的錯誤；另一方面，由于使用同樣的開發(fā)環(huán)境，算法設計的代碼可以在原型驗證的過程中被重用，從而簡化編程的復雜性，降低了對算法設計人員和嵌入式開發(fā)人員在系統(tǒng)設計流程中各個步驟的要求。從根本上加快循環(huán)遞進的過程，從而縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。

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

今日，許多世界著名的廠商都把原型設計階段提升到產(chǎn)品設計過程中非常重要的位置。事實上，除了降低風險和成本、縮短上市周期等優(yōu)勢之外，快速原型也是一個搶的商業(yè)先機的手段。通過快速原型，你可以很快地將你的想法在硬件上實現(xiàn)出來，向客戶展示并說明最終的功能，這樣可以博得客戶的信任，有時還能幫助贏得投資。